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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DELSISTEMA DE PROPULSIÓN DE UN
TRICICLO MONOPLAZA ELÉCTRICO
PARA PERSONAS CON DISCAPACIDADEN SUS EXTREMIDADES
INFERIORES
Wilson Vargas, William Bonilla, Freddy Salazar
Departamento de Ciencias de la Energía y MecánicaUniversidad de
las Fuerzas Armadas ESPE Extensión Latacunga
Márquez de Maenza S/N Latacunga - Ecuador
Email: [email protected], [email protected],
[email protected]
RESUMEN
El objetivo del proyecto consiste en diseñar yconstruir un
sistema de propulsión para un triciclomonoplaza eléctrico en la que
se implemente unmotor eléctrico, que cuente con un sistema
dealimentación, control y con carga de energíaeléctrica, para que
pueda ser incluido en el mercadocomo una nueva alternativa de
movilidad eficiente
para las personas con discapacidad en susextremidades
inferiores y con cero emisiones almedio ambiente
Palabras Clave: Sistema de propulsión, Triciclomonoplaza, Motor
eléctrico, alternativa demovilidad, Energía.
ABSTRACT
The objective of the project is to design and build
a propulsion system for a single-seat electric tricyclein
which an electric motor, having a feeding system,is implemented
control and charge of electricity, sothat can be placed on the
market as a new alternativefor efficient mobility for people with
disabilities in
their lower extremities and zero emissions to
theenvironment.
Keywords: System of propulsion, Single-seattricycle, Electric
Motor, Alternative of mobility,Energy.
I. INTRODUCCIÓN
En el Ecuador según cifras del INEC (Instituto Nacional de
Estadística y Censos) en el año 2010existían 1’608.334 personas con
algún tipo de
discapacidad, que representan el 12,14% de la población
total; 184.336 hogares ecuatorianostienen al menos una persona con
discapacidad, la
población rural del Ecuador presenta un 85.6%
de pobreza, el 50% de las personas con discapacidadson pobres,
con un ingreso per cápita promedio detreinta dólares por mes [1]en
la Provincia deCotopaxi de acuerdo a cifras del CONADIS en el
2014 (Consejo Nacional de Igualdad deDiscapacidades del Ecuador)
el número de personascon discapacidad es de 10,347 entre hombres
ymujeres, con diferentes tipos de discapacidad,auditivas, físicas,
intelectuales, de lenguaje,
psicológicas y visuales [2].Durante los últimos años, la
toma de conciencia
hacia las personas con distintas discapacidades hahecho que
muchas fundaciones, entidades yorganizaciones; en éste caso la
Asociación deDiscapacitados de Cotopaxi (ADICO), luchen pordar
igualdad, confort y facilidad al desplazamientode dichas personas
por los diferentes senderos de la
ciudad de Latacunga, sabemos que el medio comúnde transporte
para personas con discapacidad en susextremidades inferiores
siempre ha sido la silla deruedas, razón por la cual una de las
innovacionesintroducidas en medios de transportes unipersonaleses
el acceso a los mismos por personas con dichadiscapacidad,
valiéndose de sus propios medios yfacultades físicas, es decir
sobre su silla de ruedas ysin ayudad de terceras personas.
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Los vehículos eléctricos son la nueva generaciónde autos, como
alternativa de futuro a la movilidady el transporte urbano, gracias
a la utilización de unaenergía limpia y eficiente como es la
energíaeléctrica [3]
Figura 1. Triciclo monoplaza eléctrico
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Antes de empezar a realizar el diseño yconstrucción del sistema
motriz del triciclomonoplaza eléctrico se procederá a realizar
loscálculos necesarios para la implementación delsistema motriz y a
investigar las características delmotor, el controlador y las
baterías que necesitara eltriciclo para que cumpla con la autonomía
necesariaa la que está proyectada, y así seleccionar loscomponentes
que se utilizaran para la construcción
y montaje de las mismas.
Para un buen desempeño del triciclo, en pendiente tendrá
que cumplir con la segunda ley de Newton que plantea que la
sumatoria de fuerzas enel eje x es igual a la masa del cuerpo en
movimiento
por la aceleración que este tenga [4].
Figura 2. Fuerzas que actúan en una pendiente
− − − = . (1)Donde:
= Fuerza de fricción entre la superficie a rodar ylos
neumáticos. (N) [4].= Fuerza de fricción con el viento. (N) [4].=
Componente del peso del vehículo a lo largode la pendiente. (N)
[4].
La potencia que va a impulsar el triciclo, senecesita plantear
en base a las condiciones másexigentes (pendientes) [5] esto
significa que tendráque impulsar a una persona con discapacidad en
susextremidades inferiores con su respectiva silla deruedas si esta
condición se cumple, entonces eltriciclo podrá cumplir con las
demás condiciones derecorrido.
TABLA 1PESO TOTAL DEL PROTOTIPO
COMPONENTE PESO EN KG
Carrocería 40
Chasis 130Motor eléctrico 20
Baterías 120
Silla de ruedas 20
Pasajero 70
TOTAL 400 KG
Con estos datos se utilizan las siguientesecuaciones para el
cálculo de la fuerza de tracciónque es la que impulsa al vehículo
eléctrico.
1. = ∗∗∗cos() (2)
Donde:= Coeficiente de rozamiento dinámico entrecaucho y asfalto
(0.015) [6] = Masa del vehículo eléctrico. (Tabla 1)
2. = Ángulo de la pendiente en grados 15% =
8.53º.[5]
3. = Gravedad 9,8
= (0.015)(400kg) 9,8 ∗cos(8,53°) = 58.15
La fuerza de fricción con el viento se aplicasobre la sección
transversal del triciclo debido a queestará en movimiento y será
ejercida por la accióndel viento en contra el avance del
triciclo.
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3
4. = ∗ ∗ ∗ (3)
5.
Donde:
= Densidad del aire (0.833 / a 2750m.s.n.m altitud
a la cual se encuentra ubicada laciudad de
Latacunga. [7]. (/) = Sección
transversal del triciclo en.() = Coeficiente aerodinámico 0.3
a 0.8 envehículos de turismo [6]. = Velocidad estimada para
subir pendientes del15% [5] (15 = 4.167
)
Figura 3. Sección transversal del triciclo
A=Ancho∗Alto A = 1.40 m ∗ 1.20 m
A = 1.68 m
= ∗0.833 (1.68
)(0.5)(4.167 )
= 6.075 Componente del peso del vehículo a lo largo de
la pendiente [4] constituye la sumatoria de fuerzasque más exige
al motor eléctrico, el peso aplicado
para este cálculo, es el peso total (Tabla 1)
= ∗ ∗ s e n() (4)
Donde: = Masa total del vehículo eléctrico. (Tabla 1)
6. = Ángulo de la pendiente en grados 15% =
8.53º[5].
7. = Gravedad 9,8 8.
9. = (400 ) 9,8 ∗ s en(8.53°) 10. = 581.44
Fuerza de tracción que es la que impulsa alvehículo eléctrico es
la fuerza que necesita proveer
el motor eléctrico, despejando la fuerza de traccióneléctrica de
la ecuación (1) tenemos.
= . + + + (5) = (400) 0,04 + 58.15 + 6.075 +
581.44 = 661.66
El torque necesario, depende del radio de larueda que se
implementara y de la fuerza de tracciónde empuje [8]
= . (6)Donde: =Torque necesario. (Nm) = Radio del
neumático. (m) = Fuerza de empuje. (N) = Radio del
neumático utilizado 10 pulg. = 0,127m. (m)
= (0.127 )( 661.66 ) = 84.03
La potencia es igual al producto de la fuerza detracción
necesaria para mover al triciclo y lavelocidad máxima que llevará.
(La velocidadmáxima en pendiente 15 km/h = 4.167 m/s) para
estecálculo utilizaremos la siguiente ecuación.
= . (7)
Donde:= Potencia calculada (W) =Fuerza de tracción eléctrica (W)
= Velocidad máxima para pendientes del15% [5] (
)
= (661.66 )(4.167 m/s) = 2757.14
Suponiendo que existan pérdidas de energía deun 20%, es decir
una eficiencia del motor de un 80%tenemos que utilizar la siguiente
ecuación.
= (8)
Donde:
=Potencia del motor (W) =Potencia calculada (W)
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=2757.14
0.80
= 3446.42
Para la selección de la potencia y torque del
motor a utilizar en el prototipo deberá tenerse encuenta las
siguientes consideraciones:
TABLA 2VALORES REQUERIDOS PARA LA
SELECCIÓN DEL MOTORCRITERIOS VALORES
Fuerza de traccióneléctrica total en
pendientes ().
661.66
Torque necesario (). 84.03
Potencia calculada()
3446.42
a) MOTOR ELÉCTRICO
Para la selección del motor se tomaron en cuentalos parámetros
calculados (Tabla 2), donde se optó
por un motor de las siguientes características.
TABLA 3ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL MOTOR
SELECCIONADOPARÁMETRO ESPECIFICACIÓN
Tipo de motor Motor brushless CC dealta potencia
Voltaje nominal 48VPotencia nominal 4000WCorriente máxima 60
amperiosVelocidad máxima 50 Km/hEficiencia 85%Torque 100 NmTipo de
freno TamborCapacidad deacenso
28° sin carga
Tamaño de la rueda 10 pulg.Peso 20 Kg
A este tipo de motores también se los conocecomo Motor de
magnetismo permanente [9], estosson conmutados electrónicamente, es
un tipo demotor sin escobillas que tiene control del par
yvelocidad.
Figura 4. Motor brushless 48V/4000W MOD-0704509598
Funcionamiento del motor con freno regenerativo[7]
En los cuadrantes I y III, el producto f.e.m. porintensidad es
positivo y el motor está absorbiendoenergía eléctrica para
convertirla en energíamecánica, es decir, se está comportando
comomotor, por lo tanto la potencia es positiva
En los cuadrantes II y IV, el producto esnegativo por lo que la
máquina devuelve energíaeléctrica, es decir, se comporta como
generador.
Figura 5. Estados de funcionamiento de
unmotor/generador
El controlador es el elemento que hace que elmotor pueda
trabajar en esos cuadrantes por lo que
podrá ser: [10]
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De un cuadrante si únicamente puedesuministrar corriente
para alimentar elmotor.
De dos cuadrantes si puede absorber lacorriente generada
por el motor cuandoéste gira más rápido que la
velocidadestablecida.
De cuatro cuadrantes si también se puedeinvertir y
absorber la corriente generada enambos sentidos.
b) CONTROLADOR ELECTRÓNICO
El controlador, es el componente más importante para el
funcionamiento del motor eléctrico brushless, y en la
actualidad la mayoría son muyeficientes [8].
Figura 6. Controlador KEB 48601F
Las funciones principales del controlador en elmotor eléctrico,
son:
Regulación de velocidad. Regulación de par
El controlador para cumplir con las funcionesantes expuestas
hace uso de microprocesador quehace un control PWM (modulación por
ancho de
pulsos), que controla a un conjunto de transistoresMOSFET
de alta potencia dispuestos en forma deH, para lograr eficiencias
de hasta el 97%. Elmicroprocesador permite un control preciso
delmotor en base a las señales de entrada como:
posición del acelerador, sensor de frenado yselección del
sentido de giro (avance y retroceso)[12]
c) BATERÍAS
El objetivo principal de las baterías essuministrar el voltaje
necesario para mover el motoreléctrico y la capacidad para alcanzar
la autonomíadeseada, [13] a continuación se detalla
lasespecificaciones técnicas de la batería seleccionada.
TABLA 4ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL LA
BATERÍA SELECCIONADOEspecificaciones técnicas
Modelo RA12-100DTipo de batería Ciclo profundo
AGMTemperatura deoperación
Descarga: -20°C ~ 60°CCarga: 0°C ~ 50°C
Almacenamiento: -20°C~ 60°C
Rango de operación 25°C ± 5°cCapacidadesnominales
100Ah@10hr-rate to1.80V per cell @25°C
Voltaje nominal 12 VDMáxima corrientede descarga
1000 A (5 seg.)
Límite de máximacarga recomendado
30.0 A
Peso aproximado 30.0 kg
En pendientes con un consumo promedio de 80A y una velocidad
promedio de 35 Km/h yconociendo que la capacidad de las
bateríasseleccionadas es 100 Ah entonces la autonomíaqueda
determinada por la siguiente ecuación.
El cálculo para su autonomía se lo hace:
í = í× (9)
Donde:
í = Carga de la bacteria seleccionada ( ℎ)
=Velocidad promedio (/ℎ) =Carga promedio ()
í = 100 ℎ × 35 /ℎ80 í = 43,75
III. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DELSISTEMA DE PROPULSIÓN
a) Distribución de peso
La distribución de peso sobre cada eje determinala correcta
ubicación longitudinal del centro degravedad, factor importante
para el correctocomportamiento dinámico del vehículo, ya
seaacelerando, frenando o al cambiar de dirección.
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Figura 7. Dimensiones principales del triciclo
Dónde:
: Centro de gravedad.: Distancia entre ejes.: Ancho de vía.:
Distancia del centro de gravedad al eje delantero.: Distancia del
centro de gravedad al eje posterior.: Peso sobre la rueda .: Peso
sobre la rueda .: Peso sobre la rueda .
TABLA 5CARGAS ESTÁTICAS DEL TRICICLO
Carga estática en cada rueda
Rueda delantera 180 Rueda posterior derecha
110
Rueda posterior izquierda 110
TABLA 6DISTRIBUCIÓN DE PESOS
Peso eje delantero Peso eje posterior
45% 55%
180 220
Los datos de la distribución de pesos (Tabla 6) se
obtuvo a través de un CAD diseño asistido porcomputadora
Solidworks, estos datos nos servirán para realizar el análisis
del soporte motor enANSYS.
b) Análisis del soporte del motor
Los criterios de diseño empleados fueron lossiguientes:
Elegir el material de acero ASTM A36 con unlímite de
fluencia de = 250 [14].
Con los datos de la (Tabla 6) se aplicara el pesodel eje
delantero porque allí es donde seencuentra ubicado el motor.
Soportar el torque del motor (Tabla 3)
Deberá contar con un factor de diseño N= 4.0 a8.0 diseño
de estructuras estáticas o elementosde máquinas bajo cargas
dinámicas, conincertidumbre acerca de cargas, propiedades
demateriales, análisis de esfuerzos o el ambiente[14].
Figura 8. Tensión equivalente de Von Mises
Figura 9. Factor de seguridad
TABLA 7RESULTADO DEL ANÁLISIS DEL SOPORTE
DEL MOTOR EN ANSYS
Tensión equivalentemáxima obtenida(Von Mises)
54 MPa
Límite de fluenciaacero ASTM A36
2 530 kg/, 250Mpa, 36 ksi
Factor de seguridad 4,6
Según el análisis aplicado, se obtuvo una tensiónequivalente de
Von Mises de . = 54 , obteniendo como resultado un factor de
seguridadde 4,6 el cual nos da paso a su construcción ya quenos
indica su alta seguridad ente el fallo de la basedel motor.
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c) CONSTRUCCIÓN
Con los datos obtenidos del análisis se procedióa construir una
base que servirá como sujeción delmotor Brushless, una vez
implementado el motor se
procederá a la instalación del neumático 135/90R10en el
respectivo aro del motor (figura 10).
Figura 10. Instalación del motor
Se construirá un circuito de control con relés queactive el
sistema de potencia (controlador, motor) yel sistema de carga
(baterías, cargadores) estecircuito será controlado mediante un
interruptor decodillo (ojo de cangrejo) de tres posiciones,
sufuncionamiento será activar el circuito de potenciay circuito de
carga independientemente, a su vezdesactivar a todo el
circuito.
Figura 11. Circuito de control
Los relés utilizados en la construcción de estecircuito
funcionaran como contactores ointerruptores automáticos que son
comandados por
una tensión de corriente minimizando riesgos decorto
circuito.
El sistema de alimentación consta de 4 bateríasconectadas en
serie, para la implementación delsistema de accesorios se
utilizaron luces led, elconsumo de corriente de este sistema es
mínimo estoayudara a la autonomía del triciclo.
Figura 12. Implementación de luces led
IV. RESULTADOS
a) Pruebas de aceleración
La prueba de aceleración se la realizo en unadistancia de 50 m
partiendo desde el reposo, eltiempo cronometrado fue de 10 segundos
en unasuperficie plana dándonos los siguientes resultados:
=
Donde: =Velocidad final ( ) = Distancia (m) = Tiempo
(s)
=50
10 .
=0,5
. = 18
ℎ
= − −
Donde:
= Aceleración ( .) =Tiempo inicial (s) =Tiempo final
(s)
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=Velocidad final ( ) =Velocidad final ( )
=0,5 . − 010.−0 =0,05
La prueba de aceleración determinó que eltriciclo eléctrico
monoplaza tiene una buenarespuesta a la aceleración y velocidad
alcanzada.
b) Pruebas en recta
Figura 13. Pruebas en recta al 25% del acelerador
En esta prueba la posición del acelerador seencuentra al 25% el
voltaje disminuye de un 52,8 Val 51,3 V y el amperaje que necesita
el motoraumenta de 60 A - 66 A
Figura 14. Pruebas en recta al 50% del acelerador
Al aumentar la posición del acelerador a un 50 %el voltaje
disminuye a 48,1 V y el amperaje quenecesita el motor aumenta a
82,3 A
Figura 15. Pruebas en recta al 100% del acelerador
Al realizar estas tres pruebas se estableció que amedida que la
posición del acelerador varia, elvoltaje y la intensidad de
corriente también varíandirecta e inversamente y la caída de
voltaje máximaal acelerar al 100% es de 42,24 V, por lo tanto
elconsumo del amperaje desde el 25% hasta el 100%es de 30.8 A por
lo que se recomienda no acelerar al100% para mantener la
autonomía
En el siguiente resumen se observan losresultados obtenidos en
las pruebas en carretera enrecta a media y plena carga.
TABLA 8RESUMEN DE PRUEBAS
Posición delacelerador
%
Corrienteconsumida
Caída devoltaje
25 69,2 51,3
50 82,3 48,1
100 100 42,24
c) Pruebas de autonomía.
Esta prueba dependerá de las características delas baterías
seleccionadas, conociendo que lacapacidad de las baterías es de 100
Ah, la rutaestablecida para esta prueba consta de 8Km con
pendientes poco pronunciadas.
0
20
40
60
80
0 20 40
Porcentaje de posición de acelerador
[%]
Voltaje [V] Amperaje [A]
0
50
100
0 20 40 60
Porcentaje de posición de acelerador [%]
Voltaje [V] Amperaje [A]
0
50
100
150
0 50 100 150
Porcentaje de posición de acelerador [%]
Voltaje [V] Amperaje [A]
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Figura 16. Recorrido del triciclo
Con las baterías cargadas al 100% se procedió arealizar la
pruebas de autonomía logrando dar 5vueltas a una velocidad de 35
Km/h durante 3 horasy media logrando recorrer 42
Kilómetros,cumpliendo así con el cálculo teórico establecido.
V. CONCLUSIONES
El triciclo cumple con los parámetros de diseño
dinámicos calculados consiguiendo implementardel sistema de
propulsión con un motor eléctrico
brushless modelo MOD-0704509598 capaz de producir
4000 W de potencia efectiva que alcanzauna velocidad de 50Km/h, con
un voltaje de 48 V y60 A para su funcionamiento,
Para el control de los componente eléctricos yelectrónicos se
implementó un módulo de controlelectrónico de marca Kelly Controls
KEB48601Fque cuenta con un puerto de programación RS232 yun
conector J2 de 14 pines que controlan laaceleración, retro y freno
regenerativo del motor
brushless.
Con los datos de la capacidad específicacalculada se procedió a
seleccionar baterías deciclo profundo de electrolito tipo AGM 12
voltios y100 amperios, para alcanzar el voltaje defuncionamiento de
48 voltios se conectaron 4
baterías en serie.
Se ha diseñado un sistema de control con relés elcual activara
al sistema de potencia del motor ytambién activara al sistema de
carga de las baterías,a su vez este circuito de control funcionara
como un
dispositivo de seguridad ya que funcionaran comoun elemento de
paro de emergencia o como uncontactor.
Para el sistema de accesorios se implementóluces led de 12V/20mA
ya que el consumo decorriente es mínima esto ayudara a que el
triciclo
posea una buena autonomía.
Para las conexiones de todo el sistema de propulsión se ha
seleccionado adecuadamenteelementos eléctricos y electrónicos como,
las
baterías, controlador electrónico, motor, acelerador,relés
y conductores de corriente eléctrica de acuerdoal calibre para la
conexión de alto y bajo amperaje.
Según el análisis aplicado, se obtuvo una tensiónequivalente de
Von Mises de . = 54 , obteniendo como resultado un factor de
seguridadde 4,6 el cual nos da paso a su construcción ya quenos
indica su alta seguridad ente el fallo de la basedel motor.
Después de realizar las pruebas en carreteras a baja, media
y carga plena se determinó que el voltajey la intensidad de
corriente también varían directa einversamente y la caída de
voltaje máxima alacelerar al 100% es de 42,24 voltios, por lo tanto
elconsumo del amperaje desde el 25% hasta el 100%
es de 30.8 A por lo que se recomienda no acelerar al100% para
mantener la autonomía
El triciclo monoplaza eléctrico cumple con lasexpectativas
propuestas, alcanzando una distanciade recorrido de 42 Km con una
velocidad media de35Km/h y una velocidad máxima de 50Km/hsuficiente
para moverse en zonas urbanas ya que lavelocidad máxima permitida
en ciudades es de50Km/h.
La necesidad de transporte independiente paralas personas con
discapacidades en sus
extremidades inferiores residentes en la ciudad deLatacunga con
este tipo de vehículo ha sido de granimportancia, ya que es un
triciclo monoplaza 100%eléctrico como alternativa de futuro gracias
a lautilización de una energía limpia y eficiente comoes la energía
eléctrica.
Con este tipo de vehículo eléctrico se obtuvo unahorro económico
considerable a comparación deuna motocicleta a gasolina.
La importancia del triciclo monoplaza eléctricoes contrarrestar
el deterioro del medio ambiente, con
ello impulsando la generación de investigadores conconciencia
ambiental contribuyendo también alcambio de la matriz productiva
del país.
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BIOGRAFÍA
Wilson Vargas, nació enArchidona Provincia de Napo enEcuador. Es
IngenieroAutomotriz en la Universidad deFuerzas Armadas
ESPE-Latacunga.
William Bonilla, nació enSalcedo Provincia de Cotopaxi
enEcuador. Es Ingeniero Mecánicoen la Escuela Superior
Politécnicade Chimborazo - Riobamba,dispone estudios de Posgrado
enGestión de Energías, Docentetiempo completo en laUniversidad de
Fuerzas Armadas
ESPE – Latacunga
Freddy Salazar, nació enLatacunga provincia de Cotopaxien
Ecuador. Es IngenieroElectromecánico en laUniversidad de las
FuerzasArmadas ESPE-Latacunga.Cuenta con un masterado enGestión de
la Energía de la
Universidad Técnica de CotopaxiLatacunga –
Ecuador.Actualmente es docente del
Departamento de Eléctrica yElectrónica de la Universidad delas
Fuerzas Armadas “ESPE” en
la ciudad de Latacunga Ecuador.
