diseño y análisis de un kart con pila de combustible

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA
(ICAI)
GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
Especialidad Mecánica
DISEÑO Y ANÁLISIS DE UN KART CON
PILA DE COMBUSTIBLE
Autor: Andrés Tur McGlone
Director: Juan de Norverto Moriñigo
Madrid
Junio 2016
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AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN RED DE
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BACHILLERATO
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intelectual de la obra: DISEÑO Y ANÁLISIS DE UN KART CON PILA DE COMBUSTIBLE,
que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley
de Propiedad Intelectual.
2º. Objeto y fines de la cesión.
Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de
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exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de
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6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.
La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso
con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio,
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deberes y se reserva las siguientes facultades:




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uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá
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derivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación
frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los
usuarios hagan uso de las obras.
La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un
futuro.
La Universidad se reserva la facultad de retirar la obra, previa notificación al autor, en
supuestos suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros.
Madrid, a 28 de Agosto de 2016
ACEPTA
Fdo………………………………………………
3
Declaro, bajo mi responsabilidad, que el Proyecto presentado con el título
“Diseño y análisis de un kart con pila de combustible”
en la ETS de Ingeniería - ICAI de la Universidad Pontificia Comillas en el
curso académico 2015/2016 es de mi autoría, original e inédito y
no ha sido presentado con anterioridad a otros efectos. El Proyecto no es
plagio de otro, ni total ni parcialmente y la información que ha sido tomada
de otros documentos está debidamente referenciada.
Fdo.: Andrés Tur McGlone
Fecha: …28…/ …08…/ …2016…
Autorizada la entrega del proyecto
EL DIRECTOR DEL PROYECTO
Fdo.: Juan de Norverto Moriñigo
Fecha: …28…/ …08…/ …2016…
Vº Bº del Coordinador de Proyectos
Fdo.: Jesús Ramón Jiménez Octavio
Fecha: ……/ ……/ ……
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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA
(ICAI)
GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
Especialidad Mecánica
DISEÑO Y ANÁLISIS DE UN KART CON
PILA DE COMBUSTIBLE
Autor: Andrés Tur McGlone
Director: Juan de Norverto Moriñigo
Madrid
Junio 2016
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DISEÑO Y ANÁLISIS DE UN KART CON PILA DE COMBUSTIBLE
Autor: Tur McGlone, Andrés
Director: de Norverto Moriñigo, Juan
Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas
RESUMEN DEL PROYECTO
1. Introducción
El proyecto consistirá en el diseño y análisis de un kart con pila de combustible
utilizado en un karting de ocio. Dicho proyecto constará de 3 bloques:

El primer bloque explicará los efectos de los vehículos de combustión
sobre el medioambiente. A continuación, se hablará sobre el hidrógeno,
el cual va a ser la fuente renovable utilizada en nuestro kart.

El segundo bloque se dividirá a su vez en 4 partes:
-

El diseño de gran parte del vehículo. Se presentarán las
características de cada elemento.
La elección de 4 elementos fundamentales de nuestro singular kart:
el motor eléctrico, la pila de combustible, el tanque de hidrógeno y los
ultracondensadores (baterías).
En el tercer apartado se presentará un estudio económico del
vehículo anotando los precios de las partes que componen el kart.
El análisis estructural del chasis. Se realizarán 5 simulaciones de
distintos casos que se dan durante una carrera.
Por último, en el tercer anexo se presentarán todos los planos de las
piezas diseñadas.
2. Metodología
Para el diseño del kart se utilizará el software Catia v5 proporcionado por la
escuela. Este potente programa permitirá tanto la elaboración del chasis tubular
como la creación de la mayoría de los elementos que componen el kart. El kart
se diseñará por partes (CATpart) y se ensamblarán posteriormente
(CATproduct) siguiendo unas determinadas referencias.
6
Figura 1. Diseño final Catia
Para la visión particular de las piezas dentro del vehículo y para la elaboración
de los planos de cada pieza se ha utilizado el programa Solid Edge (SE).
Figura 2. Diseño final SE
7
Figura 3. Detalle Pedales SE
Figura 4. Plano Asiento SE
8
En el siguiente bloque se realizará la elección de los elementos que
caracterizan nuestro vehículo teniendo en cuenta la potencia que queremos
para nuestro kart. Partiremos de un motor eléctrico que nos proporcione dicha
potencia y continuaremos con la elección de la pila y el tanque de hidrógeno
que nos proporcionen la fuente de alimentación necesaria para hacer funcionar
nuestro motor con un buen rendimiento. Por último, se elegirá un conjunto de
ultracondensadores que sean eficientes y adecuados para nuestro kart, que
sean capaces de almacenar la energía eléctrica sobrante y proporcionarla en
los momentos de pico.
Por último, para el análisis estructural del chasis se ha utilizado de nuevo el
programa Catia v5. Se han realizado 5 ensayos de situaciones típicas que se
dan a lo largo de una carrera. Para ello se han realizado determinadas
hipótesis para intentar reflejar de la mejor manera posible los esfuerzos que
sufre un chasis en la realidad.
Figura 5. Análisis estructural Catia
3. Resultados
En cuanto al diseño obtenido se ha podido elaborar un kart con gran detalle
que sería un buen preámbulo para un diseño total y profesional en el futuro. Se
ha procurado seguir la normativa del karting lo mejor posible, pero en algunos
casos se han tenido que utilizar medidas particulares. Al ser un kart de ocio no
está obligado a cumplir las normativas del karting de competición puesto que
las medidas de seguridad son diferentes. Además, está dirigido a otro público.
A su vez, no hay ninguna reglamentación sobre los elementos de la tecnología
de hidrógeno que hemos utilizado por lo que no se podía seguir la normativa en
determinadas situaciones.
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En lo que respecta al análisis económico, solo se han tenido en cuenta el
precio de las piezas de forma individual. No se ha podido hacer una estimación
completa sobre el coste de ensamblaje. A su vez, no se han podido concretar
todas las piezas, debido a la numerosa cantidad de uniones y determinados
elementos que son necesarios para que funcionen la pila de combustible, el
tanque de hidrógeno, el motor eléctrico y los ultracondensadores. Tampoco se
ha tenido en cuenta el precio de la pintura ni las posibles pegatinas. Sin
embargo, se ha podido realizar una estimación útil como preámbulo para un
análisis más detallado.
Por último, los resultados obtenidos en las 5 simulaciones han sido favorables.
El diseño del chasis supera los esfuerzos a los que se le ha sometido con un
adecuado coeficiente de seguridad. Los resultados tienen sentido para los
esfuerzos a los que han sido sometidos y reflejan en buena medida que partes
sufren más en la realidad. Por otro lado, se han mostrado los desplazamientos
de las distintas secciones, comprobando que también daban resultados
esperados.
4. Conclusiones
En primer lugar, destacar la importancia que tendrá esta tecnología en el futuro
del mundo del automovilismo. La introducción de las energías renovables en el
sector del karting es un proceso que ayuda a fomentar e incitar a las industrias
automovilísticas a investigar sobre nuevas tecnologías sostenibles. Es cierto
que es una tecnología muy nueva y con una baja infraestructura, pero a medida
que se inviertan en ella se podrán alcanzar increíbles resultados para la
sustitución de vehículos de combustión interna por vehículos eléctricos que no
produzcan ningún elemento contaminante.
En segundo lugar, comentar la gran potencia que tiene el programa Catia v5 a
la hora de diseñar piezas. Existen numerosas maneras de diseñar, tanto por
extrusión de piezas, como a partir de superficies y añadirles un espesor (estos
han sido las principales herramientas utilizadas en el diseño del kart). Tiene un
modo sencillo de ensamblaje y es capaz de transformar archivos Catia en
archivos de otros programas CAD tales como Solid Edge. Es cierto que el
manejo de este programa puede costar un poco al principio, pero gracias a los
apuntes de la asignatura Innovative Modern Engineering (agradecer en
concreto a la profesora Silvia Fernández Villamarín) y a determinados tutoriales
se ha podido lograr un uso fluido del programa.
En cuanto al programa Solid Edge decir que es más sencillo de utilizar que el
programa Catia v5. Es muy útil para la elaboración de los planos de las piezas,
para mostrar las cotas y diversos detalles de las mismas. A su vez se han
podido pintar las piezas, aunque con una limitada gama de colores. Para el
detallado estético puede ser útil el uso de otros programas tales como Keyshot.
En tercer lugar, la inversión en este kart puede ser mayor que en los karts
habituales, pero va a tener un papel importante la reducción de contaminación
atmosférica y la diferencia de coste del combustible. Esta diferencia se va a ir
reduciendo a medida que se gasten los combustibles fósiles y se mejore la
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tecnología. Por otra parte, las piezas se podrían someter a programas de
optimización en futuros proyectos para reducir sus pesos, y por consiguiente
sus precios. Al igual que se podría estudiar la combinación de otras pilas de
combustible, otro motor eléctrico u otros ultracondensadores.
Por último, en cuanto al análisis estructural del chasis decir que ha sido difícil
realizar las hipótesis para que se parezca a lo que pasa en la vida real puesto
que al tratarse de un conjunto ensamblado no solo actúan cargas uniformes en
secciones de barras, existen otras reacciones e hipótesis que no se han podido
tener en cuenta. Sin embargo, los resultados han sido positivos y nuestro
chasis ha superado todas las pruebas a las que se le ha sometido con un buen
factor de seguridad. Esto indica que en futuros proyectos se podría optimizar el
diseño utilizando diferentes programas como puede ser Ansys.
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DESIGN AND ANALYSIS OF A FUELL CELL GO-KART
Author: Tur McGlone, Andrés
Director: de Norverto Moriñigo, Juan
Collaborating Entity: ICAI - Universidad Pontificia Comillas
1. Introduction
The project will consist on the design and analysis of a fuel cell go-kart
(or kart) used on leisure karting. The project will be divided in 3 blocks:

The first block will explain the effects of combustion vehicles on the
enviorenment. Then we will talk about hydrogen, which will be our
renewable source used in our kart.

The second block will be divided in 4 parts:
-
-

The design of the vehicle. The characteristics of each element will be
explained.
The selection of 4 fundamental elements of our unique go-kart: the
electric engine, the fuel cell, the hydrogen tank and the
ultracapacitors (batteries).
In the third section we will show a table with the prices of the parts of
the vehicle (which were able to estimate or find).
Structural analysis of the chassis. We will analyze 5 simulations of
different cases that occur during a race.
Finally, in the third block, all the plans of the designed pieces will be
presented.
2. Methodology
For the design of the kart we will use the software Catia v5, provided by the
university. This powerful program will allow both the elaboration of the tubular
chassis and the creation of most of the elements that compose the kart. The
kart will be designed on parts (CATpart) and will be assembled later
(CATproduct) following a few certain references.
12
Figure 1. Final design Catia
The program Solid Edge (SE) will be used for the particular vision of the pieces
inside the vehicle and for the creation of the planes of every piece.
Figure 2. Final design SE
13
Figure 3. Pedals SE
Figure 4. Seat plan SE
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The following block will consist on the selection of the elements that
characterize our vehicle bearing in mind the power that we want for our go-kart.
We will start with an electrical engine that provides the above mentioned power
to our vehicle and will continue with the election of the battery and the tank of
hydrogen that should provide the necessary power supply to make our engine
work with a good yield. Finally we will choose a set of ultracapacitors that are
highly efficient for our vehicle.
Finally, for the structural analysis of the chassis, the program Catia v5 will be
used again. We will study 5 essays of typical situations that happen along a
race. For this analysis, certain hypotheses have been considered to try to
reflect in the best way the efforts that a chassis suffers in reality.
Figure 5. Chassis analysis Catia
3. Results
It has been possible to elaborate a go-kart with a lot of detail, which would be a
good start point for a further complete design. For the design we tried to fulfill
the go-kart regulation but sometimes it was impossible to do this because we
needed particular measures. As it is a leisure go-kart there has to be a different
security provided for the vehicle. This vehicle is also aimed to average people.
In turn, there are no rules on the elements of the hydrogen technology therefore
it was not possible to follow the regulation in certain situations.
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For the economic analysis, there has been born in mind the price of the pieces
of individual form. It was not possible to have done a finished estimation on the
assembly cost. In turn, they could not have specified all the pieces, due to the
numerous quantity of unions and certain elements that are necessary to use the
fuel cell, the tank of hydrogen, the electrical engine and the ultracapacitors..
Nevertheless, it was possible to make a useful estimation as preamble for a
more detailed analysis.
Finally, the results obtained in the 5 simulations have been favorable. The
design of the chassis overcomes the efforts that one has submitted him with a
suitable safety coefficient. This indicates that in future projects it might be able
to optimize the design using different programs such as Ansys software. The
results make sense and reflect mostly which parts suffer more in the reality. On
the other hand the displacements of the different sections have appeared,
verifying that they were giving awaited results.
4. Conclusions
First of all to emphasize the importance that this technology will have in the
future of the automotive world. The introduction of renewable energies in the
sector of karting is a process that helps to encourage and the car industries to
investigate on new sustainable technologies. It is true that it is a new
technology and with a low infrastructure, but as the companies and
governments are investing on it, incredible results might be reached for the
replacement of internal combustion vehicles by electrical vehicles that do not
produce pollution.
Secondly, to comment on the big capacity of the program Catia v5 at the time of
designing pieces. There are numerous ways of designing, so much for pieces
extrusion, as of departing from surfaces and adding thickness (these have been
the main tools used in the design of this go-kart). It has a simple assembly way
and it is capable of transforming Catia files into files of other CAD programs
such as Solid Edge. It is true that the handling of this program can be difficult at
first but thanks to the notes of the subject Innovative Modern Engineering (to be
grateful in particular to the teacher Silvia Fernández Villamarín) and to certain
tutors I could achieve a fluid use of the program.
The program Solid Edge is simpler to use than the program Catia v5. It is very
useful for making the planes of the pieces, to show the measures and diverse
details of the same ones. It was also possible to paint the pieces but with a
limited scale of colors.
In the third place the investment in this kart can be bigger than a common kart,
but an important role is going to have the reduction of air pollution and the cost
difference of the fuel. This difference is going to be diminishing as the fossil
fuels run out and the technology is improved. On the other hand the pieces
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might surrender to optimization programs in future projects to reduce its weight,
and consequently its prices.
Finally, for the structural analysis of the chassis to say that it has been difficult
to ellaborate the hypotheses so that it looks alike to what happens in real life
because not only thre are uniform charges in bars sections, there also are other
reactions and hypotheses that can not have born in mind. Nevertheless, the
results have been positive and our chassis has overcome all the tests with a
good safety factor.
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ÍNDICE
ANEXO I: MEMORIA DESCRIPTIVA.......................................................................... 20
1.
INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 22
2.
MOTIVACIÓN DEL PROYECTO ...................................................................... 22
3.
OBJETIVO DEL PROYECTO........................................................................... 23
4.
KART ............................................................................................................... 23
5.
KARTING ......................................................................................................... 24
6.
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DE LOS MEDIOS DE TRANSPORTE [4] ....... 25
6.1.
INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 25
6.2.
PRINCIPALES CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS.............................. 25
6.3.
CALENTAMIENTO GLOBAL..................................................................... 26
6.4.
ESCASEZ DE RECURSOS FÓSILES ...................................................... 27
7.
OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO [4] .................................................................. 29
8.
ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO [4] ...................................................... 33
9.
PILA DE COMBUSTIBLE [4] ............................................................................ 35
10.
MOTOR ELÉCTRICO [19] ............................................................................ 37
11.
ULTRACONDENSADORES [4] .................................................................... 38
ANEXO II: DISEÑO Y SIMULACIÓN .......................................................................... 42
1.
DISEÑO DEL KART ......................................................................................... 44
2.
EL KART .......................................................................................................... 45
3.
2.1.
CHASIS..................................................................................................... 46
2.2.
CARROCERÍA .......................................................................................... 48
2.3.
EJES DE PARACHOQUES....................................................................... 48
2.4.
PARACHOQUES ...................................................................................... 49
2.5.
SISTEMA DE DIRECCIÓN ....................................................................... 52
2.6.
SISTEMA DE FRENADO .......................................................................... 55
2.7.
SISTEMA DE SUSPENSIÓN .................................................................... 56
2.8.
PEDAL DEL ACELERADOR ..................................................................... 57
2.9.
ASIENTO .................................................................................................. 57
2.10.
EJE TRASERO...................................................................................... 58
2.11.
BANDEJAS ........................................................................................... 60
2.12.
ELEMENTOS DE RODADURA ............................................................. 61
2.13.
NEUMÁTICOS....................................................................................... 63
SELECCIÓN DE ELEMENTOS ........................................................................ 64
18
4.
3.1.
MOTOR ELÉCTRICO ............................................................................... 64
3.2.
PILA DE COMBUSTIBLE .......................................................................... 67
3.3.
TANQUE DE HIDRÓGENO [16] ............................................................... 69
3.4.
ULTRACONDENSADORES [17] ............................................................... 70
ANÁLISIS ECONÓMICO .................................................................................. 71
4.1.
5.
COMERCIALIZACIÓN .............................................................................. 71
ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL CHASIS ........................................................ 73
1ª SIMULACIÓN: RESISTENCIA DEL CHASIS EN PARADO ............................. 76
2ª SIMULACIÓN: RESISTENCIA CON ACELERACIÓN DE MÁXIMA ................. 80
3ª SIMULACIÓN: IMPACTO FRONTAL............................................................... 83
4ª SIMULACIÓN: IMPACTO LATERAL ............................................................... 85
5ª SIMULACIÓN: PASO POR UN PIANO ............................................................ 87
6.
CONCLUSIONES ............................................................................................ 90
7.
INNOVACIONES FUTURAS ............................................................................ 91
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................... 92
ANEXO III: PLANOS ................................................................................................... 94
19
ANEXO I: MEMORIA DESCRIPTIVA
20
21
1. INTRODUCCIÓN
El proyecto consistirá en el diseño y análisis de un kart con pila de combustible
utilizado en un karting de ocio.
En cuanto al diseño, se realizará la mayor parte de las piezas que lo
componen. Se utilizará el programa Catia v5.
Dentro de nuestro vehículo habrá 4 elementos que tendremos que elegir del
mercado. Se trata de la pila de combustible, el motor eléctrico, el tanque de
hidrógeno y los ultracondensadores.
Se realizará una tabla en la cual se estime el valor de la mayoría de las piezas
que forman nuestro kart. Algunas de ellas no podrán ser conocidas debido a la
privacidad de los proveedores.
En cuarto lugar, se realizará un análisis estructural sobre uno de los elementos
más relevantes del vehículo, el chasis. Dicho elemento está caracterizado por
ser el “esqueleto” del kart y el cual va a tener que soportar diversas cargas.
Para este análisis se utilizará de nuevo el programa Catia v5.
Por último, se mostrarán los planos de las piezas diseñadas. Para ello
utilizaremos el programa Solid Edge. En dichos planos podremos ver sus
medidas más relevantes y determinados detalles representativos.
2. MOTIVACIÓN DEL PROYECTO
En la actualidad los ingenieros nos tenemos que preparar para los cambios que
están por venir y uno de los mayores cambios que se ven a producir es el fin de
los combustibles fósiles. Esto indica que se necesitan buscar fuentes
renovables para suplir una de las mayores demandas del ser humano, el
petróleo.
En las últimas décadas se ha estado viendo como los vehículos eléctricos e
híbridos se han ido introduciendo en el mercado automovilístico, sin embargo,
una de las últimas incorporaciones ha sido la de los vehículos con pilas de
combustible.
Este tipo de vehículos tiene unas características muy prometedoras, las cuales
me han llamado la atención para realizar un proyecto con esta tecnología. El
diseño de un kart que funcione con esta tecnología era una buena forma de
entender el funcionamiento de la pila de combustible, que ventajas y
desventajas supone y en qué se diferencia de los karts que se utilizan hoy en
día. Son mucho más sencillos que los vehículos de turismo por lo que su
diseño y análisis están más al alcance de mis conocimientos.
22
3. OBJETIVO DEL PROYECTO
El proyecto constará de tres principales objetivos:
1. El diseño de un kart que funcione con una pila de combustible y que
será utilizado en un centro de karting. Se diseñará gran parte de los
elementos del kart y posteriormente se ensamblarán formando un
conjunto. Se presentarán las características de las piezas diseñadas, las
referencias utilizadas, los planos de las piezas y se mostrará su
localización en el conjunto.
2. La elección de los elementos que componen esta innovadora tecnología:
una pila de combustible, un motor eléctrico, una bombona de hidrógeno
y unos ultracondensadores a modo de batería.
3. El análisis del chasis al ser sometido a diversos esfuerzos que se dan en
situaciones reales en la competición de karting. Se realizarán cinco
simulaciones en las cuales se mostrarán los esfuerzos en las barras,
mostrando sus zonas más críticas y por otra parte se mostrarán los
desplazamientos de los puntos de las barras.
4. KART
Un kart (o go-kart) es un vehículo terrestre monoplaza (o biplaza), sin techo o
cockpit, de cuatro ruedas no alineadas que están en contacto con el suelo. Las
dos ruedas traseras se encargan de la tracción del vehículo mientras las dos
delanteras del control de dirección. Estos vehículos están impulsados por un
motor de gasolina o eléctrico. También existen karts que pueden ser
impulsados a pedales. Los karts pueden utilizarse para ocio, pero están más
extendidos en el mundo de la competición.
Figura 1. Kart Sodi GT [1]
23
5. KARTING
El karting es una disciplina del mundo del automovilismo en el cual se utilizan
karts como vehículos. Las competiciones se realizan en los kartódromos tanto
al aire libre como en el interior. Dentro del mundo del karting existen centros de
ocio abiertos al público para disfrutar de esta experiencia.
Figura 2. Karting outdoor [2]
Figura 3. Karting indoor [3]
24
6. IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DE LOS
MEDIOS DE TRANSPORTE [4]
6.1. INTRODUCCIÓN
Los automóviles han supuesto una gran contribución en el crecimiento de la
sociedad moderna satisfaciendo las necesidades del transporte de las
personas en su día a día. El gran desarrollo del sector automovilístico ha
producido grandes ventajas, sobretodo en cuanto a calidad y seguridad del
transporte, sin embargo, ha estado agravando ciertos problemas durante las
últimas décadas. Entre estos problemas se encuentra el aumento de
contaminación atmosférica, dando lugar al calentamiento global. Por otra
parte, el incremento de vehículos está llevando a los recursos fósiles a su
fin. Estos son los principales motivos que están llevando a las empresas a
desarrollar e invertir en nuevas tecnologías, libres de emisiones y sin
necesidad del uso de combustibles fósiles. Entre estas tecnologías se
encuentra una que está cogiendo gran fuerza en los últimos años, la pila (o
célula) de combustible. Dicha tecnología utiliza el hidrógeno como fuente de
combustible, y es capaz de producir electricidad, por medio de una pila de
combustible, sin emitir ningún tipo de gas contaminante. Es una tecnología
que puede abrir muchas posibilidades, y no solo en el sector automovilístico
sino en los demás sectores que necesiten energía eléctrica. Está previsto
que alrededor del año 2050 no dispongamos de suficientes recursos fósiles
y habrá que optar por estas nuevas “tecnologías verdes”. Ya ha comenzado
el pulso entre los vehículos eléctricos y los híbridos para dominar uno de los
mayores sectores a nivel mundial, pero parece que las pilas de combustible
también quieren unirse a la competición.
6.2. PRINCIPALES CONTAMINANTES
ATMOSFÉRICOS
Actualmente, los vehículos de combustión interna utilizan hidrocarburos
(HC) como combustible para propulsarse. La combustión es una reacción
entre el combustible y el aire que produce calor y diferentes compuestos. El
calor se transforma en energía mecánica a través del motor y los productos
resultantes de la combustión son liberados a la atmósfera. Un hidrocarburo
es un compuesto químico formado por átomos de Carbono (C) y de
Hidrógeno (H). Idealmente, la combustión solo debería dar lugar a dióxido
de carbono (CO2) y agua (H2O). El CO2 no supone un gran contaminante
del medio ambiente a no ser que su concentración en aire haga que el
oxígeno sea casi inexistente. Sin embargo, ninguna combustión de
hidrocarburos se da de forma ideal, por lo que aparecen productos
contaminantes no deseados. Los principales contaminantes de los
automóviles son los siguientes:
25

Óxido Nitroso (NOx): Aparece como resultado de la reacción entre
nitrógeno y aire a altas presiones y temperaturas (situación que se da en
la combustión). El óxido nitroso más común es el Óxido Nítrico (NO).
También aparece el dióxido nítrico (NO2) en menor cantidad. El NO
reacciona con los átomos de oxígeno atacando las membranas de las
células vivas. El NO2 es el principal responsable de la aparición de
“smog” (niebla tóxica). También reacciona con el vapor de agua
formando ácido nítrico (HNO3) que es responsable de la lluvia ácida. La
lluvia ácida daña a los seres vegetales y algunos edificios.

Monóxido de Carbono (CO): aparece como resultado de una combustión
incompleta de HCs debido a la escasez de oxígeno. Es venenoso para
los animales y los seres humanos que lo inhalan. Produce mareos y en
gran cantidad la muerte.

HCs sin combustionar: aparecen debido a una combustión incompleta
de HCs. Dependiendo de su naturaleza pueden ser más o menos
dañinos para los seres vivos. Algunos pueden ser venenosos o
cancerígenos o por otro lado pueden dar lugar al “smog”.

Óxidos sulfúricos (SOx): aparecen debido a impurezas del combustible.
El más común en la combustión es el dióxido de sulfuro (SO2). En
contacto con el aire forma SO3, que luego reacciona con agua dando
lugar al ácido sulfúrico, produciendo lluvia ácida.
6.3. CALENTAMIENTO GLOBAL
El calentamiento global es el resultado del conocido “efecto invernadero”
debido a la presencia de dióxido de carbono y otros gases, como el metano
(CH4), en la atmósfera. Estos gases atrapan la radiación infrarroja del Sol
reflejada por el suelo, aumentando la temperatura. Este incremento daña
diversos ecosistemas y afecta a numerosas poblaciones. A su vez produce
el deshielo de los polos y el aumento del nivel del agua.
En las siguientes gráficas se puede apreciar como el sector del transporte
es uno de los mayores culpables del calentamiento global.
Figura 4. Evolución de las emisiones de CO2 [4]
26
Figura 5. Temperatura global de la atmósfera terrestre [4]
6.4. ESCASEZ DE RECURSOS FÓSILES
El otro principal factor que está dando lugar al creciente desarrollo de vehículos
eléctricos es la previsión del fin de los recursos fósiles. A continuación, se
muestra una tabla de reservas probadas en el año 2000 (Las reservas
probadas son " aquellas cantidades que la información geológica y de
ingeniería indican con certeza razonable que se pueden recuperar en el futuro
de yacimientos conocidos bajo las condiciones económicas y operativas
existentes”). No constituye un indicador de las reservas totales de la Tierra. El
indicador R/P es el número de años que las reservas probadas durarán si su
producción continuara al mismo nivel.
Figura 6. Reservas probadas de petróleo en el año 2000 [4]
27
Se asume la hipótesis de que el consumo también es constante, el cual se
sabe que es creciente, por lo que durarán menos años aún. A continuación, se
muestran dos tablas. En la primera una tabla que indica el crecimiento de
consumo de barriles de petróleo por día según las regiones y la segunda a
nivel mundial. A medida que el consumo crece, también crece el nivel de gases
contaminantes y emisiones de CO2.
Figura 7. Consumo de petróleo por región [4]
Figura 8. Consumo mundial de petróleo [4]
28
En la última tabla se muestra la previsión de cuando se estima que se van a
acabar los combustibles fósiles teniendo en cuenta el crecimiento de la
consumición. Se estima que para el año 2038 no habrá suficientes recursos
fósiles y tendremos que buscar otras fuentes de combustible.
Fig. 9. Reservas mundiales de petróleo restantes vs consumo acumulativo [4]
7. OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO [4]
Reformado de hidrocarburos
Hoy en día, la mayoría del hidrógeno es producido a partir de hidrocarburos
por el método de reformado. El reformado es una reacción química en la
que se extrae el hidrógeno de los hidrocarburos. Durante la reacción, la
energía contenida en el combustible se transfiere del enlace carbónhidrógeno al gas hidrógeno. Los hidrocarburos más utilizados para dicho
proceso son el metano (gas natural), el metanol y la gasolina, debido a su
facilidad para el reformado. Los dos primeros predominan sobre la gasolina.
Figura 10. Planta de reformado con vapor [5]
29
Los 3 principales métodos de reformado son:

Reformado con vapor: el hidrocarburo reacciona con el vapor de agua a
elevadas temperaturas.
-
Reformado del metano (CH4)
-
Reformado del metanol (CH3OH)
-
Reformado de la gasolina (iso-octano C8H18)
Estas reacciones son altamente endotérmicas y necesitan energía a
partir de la combustión de combustibles. Además, estas reacciones
producen algo de monóxido de carbono (CO) el cual es venenoso para
algunos electrolitos. El CO puede ser convertido más adelante en
hidrógeno y dióxido de carbono con un reactor de desplazamiento de
gas de agua:
En el proceso de reformado con vapor, es preferible usar metanol como
combustible, ya que no hay necesidad (teórica) para una reacción de
desplazamiento de gas de agua y además la temperatura del proceso es
baja (250 ºC). La producción de hidrógeno también es
considerablemente alta. Entre sus desventajas, las más significativas
son la intoxicación de los catalizadores del reformador por impurezas en
el metanol y la necesidad de calor externo en la reacción endotérmica.
Los requisitos de calor ralentizan la reacción e imponen un tiempo de
arranque lento entre 30 y 45 minutos. Aunque es posible, la gasolina no
se utiliza comúnmente en el reformado con vapor.

Reformado con oxidación parcial
En la oxidación parcial se combina el combustible con oxígeno para
producir hidrógeno y monóxido de carbono. Con este método se utiliza
generalmente aire como oxidante y da lugar a un reformado que se
diluye con nitrógeno. A continuación, el monóxido de carbono reacciona
con el vapor de agua para producir hidrógeno y dióxido de carbono,
30
como se ha mencionado anteriormente. Por lo general se utiliza
gasolina (iso-octano) como combustible.
El reformado con oxidación parcial es altamente exotérmico, lo cual hace
que se produzca la reacción de manera veloz. Otra ventaja es que tiene
una gran flexibilidad con los combustibles a utilizar. Como desventaja
presenta que tiene que producirse la reacción a elevadas temperaturas
(800–1000◦C) y que la construcción de la planta es bastante compleja.
Además, se puede apreciar que el calor producido en la primera
reacción es mucho mayor que la absorbida en la segunda, haciendo que
este proceso sea menos eficiente que el reformado por vapor.
Figura 11. Esquema de una planta de reformado con oxidación parcial [4]

Reformado térmico
El reformado térmico combina combustible con agua y vapor de agua
para que el calor exotérmico de la reacción de oxidación parcial se
equilibre con el calor endotérmico de la reacción de reformado con
vapor.
Para n=2.83 no se genera ni se absorbe calor en la reacción. El CO
producido en dicha reacción se puede tratar más adelante en un reactor
de desplazamiento de gas de agua. El reformado térmico produce un
hidrógeno más concentrado que el obtenido por oxidación parcial pero
menor que el reformado por vapor. La introducción de calor es más fácil
que en la oxidación parcial pero se necesita un catalizador. El reformado
térmico es más eficiente que la oxidación parcial.
31
Obtención de hidrogeno a partir del Amoniaco
El amoniaco (NH3) no contiene carbón pero presenta unas interesantes
características para la obtención del hidrógeno. El proceso de extracción
de hidrogeno a partir del amoniaco se conoce como “cracking”:
Esta reacción se consigue a partir del calentamiento del amoniaco.
Puede ser con un catalizador o sin él. Dicho catalizador hace que se
reduzca la temperatura de reacción. La energía requerida para esta
reacción es mínima puesto que es un proceso reversible.
El amoniaco se almacena fácilmente en estado líquido, a baja presión y
temperatura. (Sería interesante estudiar la viabilidad del uso de
amoniaco en España puesto que se producen grandes cantidades de
dicho producto anualmente). El principal problema del amoniaco es que
es tóxico. Tiene gran afinidad con el agua y puede producir graves
quemaduras en los ojos y los pulmones. Estas taras hacen que sea poco
atractivo en el uso de vehículos con pilas de combustible.
Electrólisis de agua
Un método que se utiliza para obtener el hidrógeno sin producir ningún tipo de
emisión contaminante es a partir de la electrólisis del agua. Se podría
considerar el proceso inverso de la pila de combustible. El problema de este
proceso es que es poco eficiente por lo que se utiliza para obtener pequeñas
cantidades de hidrógeno. Una de las claves para el futuro de las pilas de
combustible es que este proceso fuera muy eficiente y que se pudiera producir
mayores volúmenes de hidrógeno porque se podría crear un ciclo totalmente
limpio, partiendo de una fuente renovable y obteniendo electricidad sin producir
ningún tipo de contaminante.
El proceso de electrólisis es el siguiente. Se introduce agua en un depósito en
el cual introducimos dos electrolitos. Un ánodo y un cátodo. La reacción se
produce en un medio alcalino con el objetivo de mejorar la conductividad
eléctrica. El hidrógeno producido en el cátodo se debe purificar ya que contiene
ciertas impurezas de oxígeno y un cierto nivel de humedad. Las impurezas de
oxígeno se eliminan con un convertidor DeOxo y el hidrógeno se seca
mediante un adsorbente. Por el otro lado está el ánodo, donde se forma el
oxígeno. Por lo general se disponen los electrodos en paralelo dentro de un
tanque. El calor liberado en el proceso se elimina recirculando agua alrededor
de las celdas. Este proceso cuesta aproximadamente el doble que el proceso
de reformado con vapor. Una de las variantes para reducir el coste ha sido
realizar la electrolisis en estado vapor. Se puede llegar a reducir el coste del
proceso convencional hasta un 50%.
32
Figura 12. Electrólisis del agua [6]
8. ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO [4]
El almacenamiento de hidrógeno es una de las principales desventajas que
complica la implantación de esta tecnología en los vehículos normales. El
objetivo de este almacenamiento es que se haga de forma compacta y
ocupando el menor espacio posible. Para ello se han estudiado diferentes
soluciones como pueden ser: altas presiones, temperaturas criogénicas,
pero principalmente en compuestos químicos que presenten capacidad de
almacenamiento y liberación de hidrógeno, ya sea mediante enlaces
químicos o por fisisorción.
El hidrógeno se puede almacenar tanto en estado gaseoso como en estado
líquido. El hidrógeno a presión ambiente tiene una baja densidad por
volumen, sobretodo comparándola con la de los hidrocarburos (gasolina).
Una forma de mejorar esta característica es mediante el incremento de
presión del gas. Los tanques de almacenamiento serían más pequeños,
pero no más livianos. Para obtener hidrógeno comprimido necesitamos
energía para el compresor, y a mayor energía requerida, mayor cantidad de
energía disipada, es decir, mayores pérdidas.
A continuación, se muestra una visión del Audi A7 h-tron. Dicho vehíclo
dispone de 4 tanques de hidrógeno (gas), los cuales permiten una
autonomía de unos 500 km.
33
Figura 13. Audi A7 Sportback h-tron quatrro [7]
Por otro lado, se puede almacenar el hidrógeno en estado líquido (como se
hace en los transbordadores espaciales). El inconveniente que presenta el
hidrógeno líquido es que requiere almacenamiento criogénico y su
temperatura de ebullición es de –252.882 °C. Por lo tanto, se necesita una
gran cantidad de energía para alcanzar dicha temperatura y mantenerlo en
ese estado. Los tanques deben estar elaborados de un material que evite la
evaporación y dichos tanques suelen tener un elevado coste. A pesar de
solventar este inconveniente seguimos teniendo el problema de la densidad.
En estado líquido su densidad por volumen es 4 veces peor que el de los
hidrocarburos.
Figura 14. Tanque externo de hidrógeno de un transbordador espacial [8]
Además de estos dos principales métodos de almacenamiento, que
implican demasiados gastos energéticos, se están estudiando nuevas
alternativas más eficientes como son el uso de hidruros metálicos o
nanotubos de carbono. Aquí el gas se comprime a un nivel de presión más
bajo (a unas pocas decenas de atmósferas) y se introduce en un recipiente
lleno de un material que puede absorber y liberar el H2 en función de la
34
presión, la temperatura y la cantidad de hidrógeno almacenada en el
sistema. El uso de hidruros metálicos reduce los requisitos volumétricos y
de presión para el almacenamiento, ya que cuando está totalmente lleno el
dispositivo de almacenamiento, estos hidruros metálicos pueden contener el
doble de átomos de hidrógeno del equivalente volumétrico de hidrógeno
líquido. El problema es que es mucho más pesado que las otras soluciones.
Sin embargo, varios fabricantes de automóviles están tomando medidas
para incorporar dicha tecnología en la estructura de sus vehículos para
obtener un peso total aceptable. La posibilidad de utilizar nanotubos de
carbono podría acabar en gran medida con el problema del peso. Sin
embargo, hay que señalar que las propiedades de los nanotubos de
carbono con respecto a su utilidad como material de almacenamiento de H2
siguen siendo controvertidas.
Uno de los mitos que se deben superar para popularizar los vehículos
eléctricos de pila de combustible es la seguridad de llevar hidrógeno
presurizado a bordo. La seguridad en la manipulación de hidrógeno ha sido
explorada por entidades comerciales, así como las instituciones públicas,
tales como Air Products and Chemicals, Inc y Sandia Nacional Laboratories.
Además, un informe de Ford sugiere que, con la ingeniería adecuada, la
seguridad de un vehículo de hidrógeno podría ser mejor que la de un
vehículo de propano o gasolina.
9. PILA DE COMBUSTIBLE [4]
La pila de combustible, también conocida como celda o célula de
combustible, es un dispositivo electroquímico que se alimenta con un flujo
continuo de combustible (agente reductor) y un agente oxidante que se
hacen reaccionar de forma controlada para obtener electricidad, y unos
determinados productos. Dicha corriente eléctrica será suministrada a un
circuito externo para su posterior uso. Tiene un funcionamiento similar al de
una batería, contando con la siguiente diferencia; mientras las baterías
tienen un límite de almacenamiento de energía, las pilas de combustible
permiten el abastecimiento de los reactivos de forma continuada.
Una pila de combustible suele tener un alto nivel de eficiencia, ya que no
está limitado por un ciclo de Carnot (ej.: vehículo de combustión interna), y
a su vez un nivel muy bajo de emisiones contaminantes, ya que no se
produce la combustión de ninguno de los reactivos. Ésta es la principal
atracción de su uso en los vehículos del futuro. En general, la eficiencia
energética de una pila de combustible suele rondar entre el 40-60%, y
puede llegar hasta un > 85%-90% en cogeneración, si se captura el calor
residual para su uso.
Existen diversos tipos de pilas de combustibles. Para explicar el
funcionamiento básico de las mismas se utilizará como ejemplo una de las
más comunes, la denominada PEM (de membrana de intercambio
protónico, en inglés Proton Exchange Membrane). El dispositivo está
formado por dos electrodos, que funcionan también como catalizadores de
35
las reacciones de oxidación/reducción. En el ánodo se suministrará el
agente reductor, en nuestro caso el hidrógeno. En el cátodo entrará el
oxígeno de la atmósfera, el cual actuará como agente oxidante. Entre
ambos se sitúa un electrolito, que funciona como aislante eléctrico,
conductor protónico y separador de las reacciones que tienen lugar en el
cátodo y en el ánodo. El electrolito permite el paso de los protones (H +)
desde el ánodo al cátodo. Por otro lado, los electrones (e-) circularán por un
circuito externo, dando lugar a una corriente eléctrica que será utilizada en
nuestro motor eléctrico. En el cátodo, los electrones, protones y el
comburente se reducen, dando lugar a los productos, en nuestro caso,
vapor de agua (H2O).
Figura 15. Pila de combustible PEM [9]
36
Los seis principales tipos de pilas de combustible son las siguientes:
alcalina, con membrana de intercambio protónico, de metanol directo, de
ácido fosfórico, de carbonato fundido y de óxido sólido. Más adelante se
hará la elección de la pila que será utilizada en nuestro vehículo.
Figura 16. Tipos de pilas de combustibles [4]
10.
MOTOR ELÉCTRICO [19]
Un motor eléctrico es un dispositivo que se encarga de transformar la
energía eléctrica en energía mecánica. El motor está compuesto por un
elemento fijo, llamado estator, y un elemento móvil, el rotor. La interacción
de los campos magnéticos creados en las bobinas de ambos elementos
dará lugar al giro del rotor.
Los motores eléctricos pueden ser impulsados por fuentes de corriente
continua (DC), y por fuentes de corriente alterna (AC). En nuestro caso la
energía eléctrica recibida será la producida por nuestra pila de combustible
que será una corriente continua.
Los motores eléctricos también pueden transformar la energía mecánica del
rotor para producir energía eléctrica. En este caso estaría funcionando
como generador. De esta manera el kart puede aprovechar la inercia del eje
de las ruedas traseras para producir energía eléctrica que será almacenada
en unas baterías (ultracondensadores) para ser aprovechada después en
momentos que haya que alcanzar altas velocidades.
37
Motor eléctrico DC




El estator se alimenta a CC y produce un campo Bexc(excitación)
El rotor se alimenta a CC y circula una corriente que produce un
campo Bind(inducido)
Ambos campos están desfasados en el espacio 90º. Por el
denominado “efecto brújula”, cuando dos campos magnéticos no
están alineados, se produce un par que tiende a alinearlos, dando
lugar al giro del rotor.
La ventaja del motor de DC es su facilidad para controlar la
velocidad.
Motor eléctrico AC







11.
El estator se alimenta con tensión alterna
El rotor tiene un campo (propio o inducido)
Ambos campos tienden a alinearse
Se disponen 3 bobinas cuyos ejes magnéticos estén rotados en el
espacio 120º (eléctricos) unos de otros y se alimentan con 3
tensiones senoidales trifásicas equilibradas (separadas 120º en el
tiempo). El campo magnético total resultante en todo instante es una
distribución sinusoidal en el entrehierro de amplitud constante que
gira a velocidad constante igual a la frecuencia de alimentación
eléctrica.
A la inversa también es cierto. Un campo magnético distribuido
sinusoidalmente en el entrehierro de amplitud constante que gira a
velocidad constante. Inducirá en 3 bobinas cuyos ejes magnéticos
estén rotados en el espacio 120º(eléctricos) unos de otros, 3
tensiones senoidales trifásicas equilibradas (separadas 120º en el
tiempo). Así funcionará como generador.
Existen dos tipos de máquinas eléctricas que funcionan con corriente
alterna. La síncrona y la asíncrona.
El control de velocidad de estos motores requiere electrónica de
potencia.
ULTRACONDENSADORES [4]
Los condensadores son dispositivos electroquímicos que almacenan
energía mediante la separación de las cargas eléctricas positivas y
negativas. La estructura de un condensador consiste en dos conductores,
conocidos como placas, separados por un material dieléctrico, que actúa de
aislante. Las densidades de potencia de los condensadores convencionales
son extremadamente altas (~1.012 W/m3), sin embargo, tienen una
densidad energética muy baja (~50 W*h/m3). Estos condensadores
convencionales son también conocidos como condensadores electrolíticos.
Son ampliamente utilizados en circuitos eléctricos como elementos
intermedios de almacenamiento de energía. Se utilizan para intervalos de
38
tiempos muy pequeños en comparación con los dispositivos de
almacenamiento de energía que han de servir como principal fuente para
vehículos eléctricos. Los condensadores se describen en términos de
capacitancia, que es directamente proporcional a la constante dieléctrica del
material aislante e inversamente proporcional al espacio entre las dos
placas conductoras. La capacitancia se mide como el cociente entre la
magnitud de la carga entre las placas y la diferencia de potencial entre ellos
(C = q / V).
Los supercondensadores y ultracondensadores son derivados de los
condensadores convencionales, donde la densidad de energía se ha
aumentado a costa de disminuir la densidad de potencia para hacer que los
dispositivos funcionen de forma similar a una batería. La densidad de
potencia
y
densidad
de
energía
de
supercondensadores(y
ultracondensadores) son del orden de 106W/m3 y 104 W*h/m3
respectivamente. La densidad energética es mucho menor que el de las
baterías (entre 5 y
25*104 W*h/m3), pero los tiempos de descarga
son más rápidos (110 s de los supercondensadores contra los ~5*103 s de
las baterías). Además, tiene un ciclo de vida mucho más amplio (~105 frente
a los 100-1000 de las baterías).
Los supercondensadores contienen un electrolito que permite el
almacenamiento de la carga electrostática en forma de iones. Las funciones
internas en un supercondensador no implican reacción electroquímica. Los
electrodos de los supercondensadores están hechos de carbono poroso con
elevada superficie interna para ayudar a absorber los iones y proporcionar
una densidad de carga mucho más alta que en un condensador
convencional. Los iones se mueven mucho más despacio que los
electrones, lo que permite mayor intervalo de tiempo para cargar y
descargar en comparación con los condensadores electrolíticos.
Los ultracondensadores son versiones de condensadores electrolíticos que
utilizan sistemas electroquímicos para almacenar energía en una capa
líquida polarizada en la interfaz entre un electrolito conductor de iones y un
electrodo conductor de electrones. La capacidad de almacenamiento de
energía se incrementa al aumentar el área de superficie de la interfaz,
similar a la de un supercondensador. Las reacciones electroquímicas en
ultracondensadoresestán limitadas a las capas superficiales y, por lo tanto,
son completamente reversibles dando lugar a un ciclo de vida largo.
Actualmente, se tiene el objetivo de desarrollar ultracondensadores con
capacidades en el rango de 4000 W/kg y 15 Wh/kg. La posibilidad de utilizar
supercondensadores y ultracondensadores como fuentes primarias de
energía requiere aún muchos años, aunque es probable que éstos se
puedan mejorar para proporcionar suficiente almacenamiento en los HEV
(Vehículos
híbridos).
Por
otro
lado,
supercondensadores
y
ultracondensadores con alta potencia específica son adecuados como un
dispositivo de transferencia de energía intermedia en relación con las
baterías o pilas de combustible en EV (Vehículos eléctricos) y HEV para
proporcionar la demanda de potencia transitoria repentina, como por
39
ejemplo durante la aceleración o subiendo una colina. Los dispositivos
también se pueden utilizar de manera eficiente para captar y recuperar la
energía durante la frenada.
Figura 17. Ultracondesadores Maxwell Technologies [11]
40
41
ANEXO II: DISEÑO Y SIMULACIÓN
42
43
1. DISEÑO DEL KART
Para el diseño del kart se han utilizado diversas referencias:

Para las medidas se ha tenido bastante en cuenta la reglamentación de
competición de karting de la Real Federación Española de
Automovilismo (RDFEA). A continuación, se presenta el enlace del
reglamento técnico nacional aplicable a todos los campeonatos copas,
trofeos
y
challenges
de
españa
de
karting
2016:
https://www.rfeda.es/documents/20185/50795/KART-REGL+TECpdf/3afddcc9-eea349b9-8d46-3361f80f36b8

En cuanto al sistema de propulsión mediante hidrógeno se ha utilizado
información del kart de hidrógeno desarrollado por el equipo de
Unizartech2 en la competición Fórmula Zero.
Figura 18. Kart de hidrógeno del equipo Unizartech2 [11]

Por otro lado, también se ha tenido en cuenta el kart utilizado en el
centro de ocio de Carlos Sainz (SODIKART Honda 270 cc) para el
diseño y las medidas de seguridad.
Figura 19. Sodikart Honda 270 cc [12]
44
2. EL KART
El tipo de kart que vamos a diseñar y estudiar en este proyecto será un kart
monoplaza, compuesto por un motor eléctrico y que utilizará hidrógeno
como fuente de combustible. Para ello dispondremos de una pila de
combustible que será la encargada de transformar el hidrógeno en
electricidad para el motor. A su vez analizaremos el uso de unos
ultracondensadores a modo de batería para almacenar la electricidad
sobrante producida durante el uso del kart. Nuestro kart tendrá como
finalidad el uso en centros de ocio por lo que contará con un diseño
concreto, utilizando la reglamentación de la competición de karting como
principal referencia. Contará con mayores medidas de seguridad y
comodidad para el público. Este kart irá dirigido a un público adulto. En un
futuro se podría diseñar el modelo junior para los más jóvenes.
Figura 20. Diseño final Catia
Figura 21. Diseño final SE
45
Figura 22. Diseño final (alzado)
Figura 23. Diseño final (perfil izquierdo)
2.1. CHASIS
El chasis es la estructura interna que da soporte y rigidez al kart. Se podría
considerar el “esqueleto” del vehículo. Es la base y soporte de todos los
elementos que componen el kart. El chasis estará formado por distintos
tubos de diferentes diámetros. Dichos tubos estarán soldados entre ellos. El
material utilizado será el acero debido a los grandes esfuerzos a los que va
a estar sometido. No solo tendrá que soportar distintos esfuerzos a lo largo
de la carrera, a su vez tendrá que soportar las vibraciones del kart debido a
que no hay ningún sistema de suspensión.
Figura 24. Chasis (planta)
46
Figura 25. Chasis (alzado)
Figura 26. Chasis (perfil izquierdo)

%Cr
0,80
1,10
Material del chasis: El chasis será construido con tubos de acero 4130.
Los aceros 41XX (aceros al cromo-molibdeno) son una familia de aceros
microaleados de baja aleación y alta resistencia, según lo especificado
por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SIA). Las concentraciones
de los elementos aleados de estos aceros son Cr [0.40-1.20%], Mo
[0.08-0.25%]. Estos aceros tienen una excelente fuerza al cociente de
peso, tienen facilidad para ser soldados y son considerablemente más
fuertes y más duros que la familia estándar 1020. A pesar de ser más
pesados que las aleaciones de aluminio lo compensan con una alta
resistencia a la tracción y una alta ductilidad. [13]
%Mo
- 0,15
0,25
%C
- 0,28
0,33
%Mn
- 0,40
0,60
%P(máximo) %S(máximo) %Si
0,15
0,035
0,034
0,35
-
Tabla I. Composición acero 4130 [13]
47
Propiedad
Módulo elástico
Coeficiente de Poisson
Módulo Cortante
Densidad de masa
Límite de tracción
Límite elástico
Conductividad térmica
Calor específico
Valor
2,05E+11
0,285
8,00E+10
7850
7,31E+07
4,60E+08
4,27E+01
4,77E+02
Unidades
N/m^2
N/D
N/m^2
kg/m^3
N/m^2
N/m^2
W/(m·K)
J/(kg·K)
Tabla II. Propiedades acero 4130 [13]
2.2. CARROCERÍA
La carrocería es el conjunto de elementos que se encargan de proteger el
vehículo y al conductor contra cualquier tipo de colisión. El sistema de
seguridad estará compuesto por distintas piezas, protegiendo la mayor
parte del vehículo y aportando una determinada aerodinámica al mismo.
Figura 27. Carrocería
2.3. EJES DE PARACHOQUES
Los ejes del parachoques irán atornillados al chasis y se encargarán de
soportar los parachoques y de amortiguar (en menor medida que los
parachoques) los golpes recibidos.
48
2.4. PARACHOQUES
El kart dispondrá de 5 parachoques. Uno frontal, uno trasero, dos laterales y
la cubierta de la columna de dirección. Los parachoques serán los
encargados de amortiguar los golpes recibidos por otros vehículos o al
chocar contra los muros de contención. Deben estar fijados correctamente a
los ejes para no separarse del vehículo en ningún momento de la carrera.
2.4.1. Parachoques frontal
El paragolpes frontal se encarga de la protección de una parte de las ruedas
delanteras, de los pies del conductor, del tanque de hidrógeno y de
cualquier tipo de golpe frontal. Se conecta al chasis a través de un eje de
acero, el cual está ligado al chasis en 4 puntos.
Figura 28. Parachoques frontal
2.4.2. Parachoques laterales
Los parachoques laterales se encargan de proteger cualquier tipo de
colisión lateral. El parachoques izquierdo cubrirá los ultracondensadores
mientras el derecho se encargará de proteger la pila de combustible. Cada
parachoques lateral estará unido a su eje mediante 4 tornillos y el eje se
unirá al chasis en dos puntos del larguero lateral del chasis.
49
Figura 29. Parachoques lateral
Figura 30. Eje parachoques lateral
2.4.3. Parachoques trasero
El paragolpes trasero se encarga de la protección de una parte de las
ruedas traseras, del eje trasero, del motor eléctrico y de cualquier tipo de
golpe trasero. Se conecta al chasis a través de un eje de acero, el cual está
ligado al chasis en 2 puntos.
50
Figura 31. Parachoques trasero
2.4.4. Parachoques exterior
El parachoques exterior es una seguridad extra propia de los karts de ocio. Con
ella se pretende asegurar por completo que ningun elemento del vehículo sufra
considerables golpes. Estos paragolpes ofrecen una proteccion de las ruedas que
no es propio en los karts de competición. A su vez reduce el impacto que sufre el
conductor haciendo la experiencia del karting más confortable para los aficionados
a este deporte. El paragolpes exterior se acopla al resto de los paragolpes por
diversas uniones atornilladas.
Figura 32. Parachoques exterior
51
2.4.5. Cubierta columna de dirección
Es el sistema de seguridad encargado de proteger el eje de dirección y a su
vez el tanque de hidrógeno. Estará unido al parachoques frontal y al chasis
a través de 4 puntos de unión.
Figura 33. Cubierta de la columna de dirección
2.5. SISTEMA DE DIRECCIÓN
El sistema de dirección está formado por aquellos elementos encargados de
controlar los giros del vehículo. Deben proporcionar la mayor comodidad
posible para el conductor y a su vez transmitir el giro deseado de forma
adecuada, dentro de las limitaciones del vehículo. Todos los elementos
deben estar sujetos de tal forma que no pierdan su fijación con el uso del
kart.
Figura 34. Sistema de dirección
52
2.5.1. VOLANTE
Es el elemento que acciona directamente el conductor para realizar los giros
necesarios. Deberá estar colocado a una altura adecuada y deberá
proporcionar un buen agarre al conductor. Existen multitud de volantes,
tanto en formas, como materiales, como dispositivos electrónicos utilizados
en los mismos. Nuestro volante será completamente circular y no contará
con ningún dispositivo electrónico. Estará hecho de acero y cubierto con
una funda de goma para proporcionar un buen agarre al conductor.
Figura 35. Volante
2.5.2. EJE O COLUMNA DE DIRECCION
El eje de dirección será el elemento que se encarga de transformar el
movimiento circular del volante en el movimiento lineal de las bielas. Debe
estar atornillado adecuadamente al volante y tener una adecuada
sensibilidad para el giro. En la parte inferior del eje se dispondrá un
elemento que una el eje con el chasis permitiendo el libre giro del eje.
Figura 36. Columna de dirección
53
2.5.3. BIELAS
Las bielas son las piezas que conectan la columna de dirección con las
manguetas, transmitiendo el giro del volante a las ruedas.
Figura 37. Biela
2.5.4. MANGUETAS DE DIRECCION
Las manguetas de dirección son los elementos que van unidos a las ruedas
delanteras y permiten el giro de las mismas respecto de un punto fijo. El
movimiento rotatorio se obtiene del mecanismo de biela desde la columna
de dirección. Las manguetas estarán unidas a partir de unos tornillos con
las bielas para transmitir adecuadamente el giro. A su vez estarán ligadas al
chasis a través de las horquillas, permitiendo el giro de las manguetas.
Figura 38. Mangueta de dirección
54
2.6. SISTEMA DE FRENADO
El sistema de frenado estará compuesto por los elementos encargados de
la frenada del vehículo. Consistirá en un sistema de frenado hidráulico,
accionado por el pedal de freno.
2.6.1. PEDAL DE FRENO
El pedal de freno será accionado por el pie izquierdo del conductor. Dicho
pedal estará conectado al sistema de frenado a través de un cableado.
Debe tener una determinada sensibilidad para facilitar la adecuada frenada
del vehículo. A su vez debe acomodarse adecuadamente al pie del
conductor de tal manera que pueda reposar el pie sin necesidad de
accionarlo. Estará hecho de acero y constará de una funda de goma en la
zona que se reposa el pie.
Figura 39. Pedales
2.6.2. DISTRIBUIDOR Y CABLEADO DEL FRENO
El distribuidor es el elemento que conecta el pedal del freno con la bomba
de frenado y ésta con las pinzas de freno. Se trata de un mecanismo
hidráulico accionado por el freno que se encarga de aumentar la presión de
las dos pastillas de freno y reducir así la velocidad del kart.
55
2.6.3. PINZAS DE FRENO Y PASTILLAS
Las pinzas de freno son los dispositivos que se encargan de frenar el giro
de los discos de freno, y este a su vez el giro del eje trasero dando lugar a
una reducción de la velocidad del vehículo. Dichas pinzas estarán
atornilladas a los soportes que sujetan al eje trasero. Las pinzas tienen un
funcionamiento hidráulico.
Figura 40. Pastilla de freno
2.6.4. DISCOS DE FRENO
El disco de freno estará fijo al eje de las ruedas traseras a través del
portadiscos. Dicho disco estará sometido a las pastillas de freno para
reducir la velocidad del vehículo. Dispone de numerosos agujeros para su
refrigeración.
Figura 41. Disco de freno
2.7. SISTEMA DE SUSPENSIÓN
Los karts de competición no disponen de ningún tipo de sistema de
suspensión debido a la normativa y por tanto el nuestro no lo tendrá.
56
2.8. PEDAL DEL ACELERADOR
El pedal derecho será el pedal del acelerador. Dicho pedal se encargará de
accionar un sistema de control que proporcionará el hidrógeno necesario
para la pila de combustible, produciendo la electricidad requerida para
accionar el motor. A mayor presión del pedal mayor será la velocidad
adquirida por el vehículo. El pedal volverá a su posición inicial gracias a un
muelle que estará unida a la bandeja delantera. Tendrá un tope que está
unido a la parte frontal del chasis. El pedal estará hecho de acero y en la
parte horizontal, en la cual se posa el pie, existirá una funda de goma para
un mayor agarre.
Figura 42. Muelles
2.9. ASIENTO
El asiento será el lugar en el que se coloque el conductor. Tiene un diseño
particular, con un respaldo considerable para proporcionar la mayor
comodidad en toda la región de la espalda. El tamaño del asiento se ha
elegido teniendo en cuenta mis medidas ya que es un diseño especial. En el
futuro habría que tener en cuenta la media de la población.
Debe mantener el cuerpo del piloto perfectamente sujeto de la espalda y
zona lumbar para evitar lesiones. A su vez tiene que permitir una buena
sujeción del conductor en los pasos de curva. El piloto deberá estar
acomodado de tal forma que pueda mover el volante con comodidad,
flexionando un poco los brazos. De igual manera tendrá que llegar
cómodamente a los pedales pudiendo accionarlos hasta el máximo.
El asiento irá sujeto a la bandeja central mediante 4 uniones atornilladas en
la zona inferior del asiento y a su vez tendrá otra unión atornillada en la
parte posterior. Con estas uniones se pretende conseguir una sujeción
fuerte y segura entre el chasis y el asiento.
57
El material utilizado para el asiento será la fibra de vidrio, material
comúnmente utilizado en competición. Dicho material es fácil de manipular
en caso de reparación o modificación.
El asiento contará con dos cinturones de seguridad de dos puntos. En los
laterales del asiento se dispondrán los dos anclajes mientras que las
hebillas estarán localizadas en el chasis.
Figura 43. Asiento (1)
Figura 44. Asiento (2)
2.10. EJE TRASERO
El eje trasero será el encargado de proporcionar la tracción del vehículo. La
tracción del motor será transmitida a través de la corona del eje trasero que
58
estará ligada al motor a partir de una cadena (o correa). Se atornilla al
bastidor por medio de dos soportes para los puntos de apoyo, con los
rodamientos adecuados para permitir un buen giro del eje. Dichos
rodamientos deben cumplir perfectamente su función porque si no se
perderá la transmisión del motor, dando lugar a una pérdida de velocidad.
El eje trasero contará a su vez con dos discos de freno, los cuales se
encargarán de todo el esfuerzo de frenado del vehículo. Dichos discos
estarán sujetos al eje con un portadiscos cada uno.
En los extremos del eje se encontrarán los bujes que se encargarán de unir
las ruedas traseras (y sus respectivas llantas) al eje. Debe estar alineado
correctamente el eje para no producir un daño en las ruedas y un
empeoramiento en la conducción del kart.
Figura 45. Eje trasero
Figura 46. Soporte del eje trasero
59
2.11. BANDEJAS
Se dispondrán de tres bandejas que serán atornilladas al chasis. Dichas
bandejas se encargarán de soportar los diferentes elementos del vehículo.
Bandeja frontal: se encargará de numerosas tareas:
- Soportar la parte inferior del tanque de hidrógeno.
- Sujetar el muelle de retención de los pedales.
- Evitar el contacto de las piernas del conductor con el suelo.
Figura 47. Bandeja frontal
Bandeja central: su principal función será la de soportar el asiento del
piloto a través de 4 puntos de conexión.
Figura 48. Bandeja central
60
Bandeja trasera: se encargará de soportar el motor eléctrico.
Figura 49. Bandeja trasera (con motor eléctrico)
2.12. ELEMENTOS DE RODADURA
El motor del kart induce una determinada potencia a los elementos de la cadena
de transmisión (piñón, cadena, eje trasero, etc.). Los elementos de rodadura son
los encargados de transmitir esta potencia al terreno y conseguir que el vehículo
se desplace.
2.12.1. BUJES
Los bujes son los elementos que unen las llantas de las ruedas traseras con
el eje trasero, transmitiendo así el giro del motor a las ruedas.
Figura 50. Buje
61
2.12.2. LLANTAS
Las llantas se situarán en el interior de los ejes de las ruedas. Se
diferenciarán las llantas traseras de las delanteras.
Llantas delanteras: irán en el interior de las ruedas delanteras y se
encargarán de la unión entre las ruedas y los rodamientos de las
manguetas de dirección.
Figura 51. Llanta delantera
Llantas traseras: irán en el interior de las ruedas traseras y se
atornillarán a los bujes traseros para aportar la transmisión del eje
trasero.
Figura 52. Llanta trasera
62
2.12.3. RODAMIENTOS
Los rodamientos son elementos que permiten el giro por su diámetro
exterior mientras se mantienen fijos al eje introducido en el diámetro interior.
Se disponen 4 a lo largo del kart. Dos para las manguetas de dirección
permitiendo el giro de las ruedas delanteras y dos en el interior del soporte
del eje trasero.
Figura 53. Rodamiento
2.13. NEUMÁTICOS
El kart dispondrá de 4 ruedas. Dos delanteras y dos traseras. Todas ellas
deberán estar en contacto continuo con el suelo y estar con una presión
adecuada. A su vez deberán estar unidas correctamente a sus respectivas
llantas para que no se suelten en ningún momento de la carrera. Existen
numerosos modelos de ruedas y optamos por elegir unas que no tienen
marcas.
Ruedas delanteras: Las ruedas delanteras tan solo se encargarán de
controlar la dirección del vehículo sin aportar tracción alguna. Dichas ruedas
irán conectadas al chasis a través de las manguetas de dirección.
Figura 54. Rueda delantera
63
Ruedas traseras: al contrario de las ruedas delanteras, sólo aportarán la
tracción del vehículo sin tomar parte en el sistema de dirección del
vehículo. Las ruedas traseras irán conectadas al eje trasero.
Figura 55. Rueda trasera
3. SELECCIÓN DE ELEMENTOS
A continuación, se presentará la elección de los elementos fundamentales
que diferencian este kart de los demás karts de competición. Nos hemos
puesto como objetivo diseñar un vehículo que tenga al menos 10 cv de
potencia (7,5 kW), ya que el kart honda 280 cc del centro de ocio de Carlos
Sainz es de 9.5 cv, el cual usaremos como referencia. Para ello
escogeremos un motor eléctrico que nos proporcione dicha potencia. En
consecuencia elegiremos la pila de combustible capaz de proporcionarnos
el voltaje y la corriente suficiente para alimentar al motor. Posteriormente
elegiremos el tamaño del tanque de hidrógeno que alimentará nuestra pila
y, por último, los ultracondensadores que funcionarán a modo de batería
para almacenar la electricidad sobrante para utilizarla en los picos de
velocidad.
3.1. MOTOR ELÉCTRICO
El motor eléctrico seleccionado será un motor sin escobillas de corriente
continua modelo HPM5000B.
Características del motor:





Voltaje: 48 V
Potencia nominal: 5 KW
Rendimiento: 91%
Velocidad máxima: 5000 rpm
Peso: 11 kgs de la carcasa (Aluminio)
64





Longitud (altura): 126 mm
Diámetro: 206 mm
Resistente al agua
Ventilador de refrigeración
Aplicaciones: coche eléctrico, motocicleta eléctrica, triciclo eléctrico,
carros de golf eléctricos, ascensor tenedor, barco eléctrico, etc
Para más información sobre el motor consultar el siguiente enlace:
http://www.goldenmotor.com/frame-bldcmotor.htm
Figura 56. Motor eléctrico (perfil derecho) [14]
Figura 57. Motor eléctrico (alzado) [14]
65
Figura 58. Motor eléctrico (1)
Figura 59. Motor eléctrico (2)
En la siguiente imagen se muestra la conexión entre el motor y el sistema de
control. Para nuestro kart se pedirá un control especializado pues el que viene
en el kit original sólo utiliza la electricidad almacenada en la batería. En nuestro
vehículo la electricidad será proporcionada tanto por la pila como por los
ultracondensadores cuando estes hayan almacenado una suficiente cantidad
de energía y sea necesaria para alcanzar picos de velocidad.
66
Figura 60. Instalación del motor eléctrico [14]
3.2. PILA DE COMBUSTIBLE
En cuanto al funcionamiento de la pila ya quedó explicado en la introducción
del proyecto. Se ha escogido este modelo pues cumple con los requisitos
necesarios para alimentar nuestro motor eléctrico de manera eficaz. A su
vez hemos conseguido obtener todas sus características por lo que facilita
su información.
Tal como indican sus características es un modelo de pila que está
preparado para vehículos y que tiene una larga vida de uso. Se encuentran
varios modelos en caso de que se quiera aumentar o disminuir la potencia
de nuestro motor en el caso de que se comercialicen karts de hidrógeno
para niños, los cuales tendrán menos potencia.
Características principales HyPM HD 8:








Máxima potencia: 8.5 kW
Rango de tensiones: 48 – 79 VDC
Corriente máxima: 180 A
Pico de eficiencia: 50%
Peso: 75 kg
Tiempo de vida: >3000 horas
Dimensiones: 85x36x25 cm
Ruido: <75 dB
Para saber más sobre las características de la pila de combustible:
http://pdf.directindustry.es/pdf-en/hydrogenics/hypm-power-modulebrochure/33492-75120.html
67
Figura 61. Pila de combustible HyPM HD [15]
Figura 62. Pila de combustible
68
3.3. TANQUE DE HIDRÓGENO [16]
El tanque de hidrógeno será el dispositivo de almacenamiento de nuestro
combustible. Se almacenará el hidrógeno en estado gaseoso puesto que
como hemos explicado anteriormente es la forma más económica y viable.
El tanque se situará por encima de la columna de dirección e irá
fuertemente sujeto al chasis a partir de un sistema de anclajes. A su vez
tendrá una retención en la parte inferior que estará en contacto con la
bandeja delantera y una limitación superior para no ascender en la dirección
del volante. El tanque de hidrógeno estará conectado al sistema de
administración, que será regulado por el acelerador, proporcionando el
hidrógeno necesario hacia la pila de combustible.
La bombona de hidrógeno escogida será la botella de CompositeDräger. Se
ha escogido esta botella pues el hidrógeno que se utiliza en estos tipos de
vehículos suele rondar los 350 bares. A su vez tiene un tamaño adecuado
para incorporarlo a nuestro kart y consta de otras interesantes prestaciones
en lo referente a seguridad y tiempo de vida útil.
Sus principales características son:
- Primera botella Dräger con una vida útil de 30 años.
- Única de 8 litros. La primera del mercado.
- Bajo coste de mantenimiento.
- 30 minutos de aire a 50 litros/min.
- Presión de funcionamiento 30 bar.
- Cumple los requisitos de la EN 12245 y la 97/23/CE.
Figura 63. Tanque de hidrógeno Dräger [16]
69
Figura 64. Tanque de hidrógeno
Para más información sobre el tanque de hidrógeno entrar en:
http://www.draeger.com/sites/assets/PublishingImages/Products/cre_cylinde
rs/ES/compressed_air_cylinders_pi_es.pdf
3.4. ULTRACONDENSADORES [17]
Como se comentó al principio del proyecto, se dispondrá de un conjunto de
ultracondensadores en la zona lateral del vehículo que se encargarán de
almacenar energía eléctrica sobrante, producida durante la frenada del
vehículo principalmente para ser utilizada posteriormente en los picos de
velocidad del circuito.
Los ultracondensadores elegidos para nuestro vehículo serán la serie de
módulos ultracondensadores de 56 V de Maxwell Technologies.
Proporciona energía durante las caídas en la fuente de alimentación
principal. En los cortes de más largo plazo, los módulos proporcionan
energía de transición a una fuente de respaldo a largo plazo, tal como un
motor - generador o pila de combustible
Los módulos pueden durar hasta 15 años en fuentes de emergencia, para
aplicaciones ocasionales de uso. Están diseñados para encajar en los
sistemas de rack estándar con hasta 10 KW (15 segundos) de altura 4U.
Dos módulos pueden caber en un bastidor de 19 pulgadas, mientras que
tres pueden caber en un rack de 23 pulgadas.
Los módulos de ultracondensadores Maxwell reemplazan las baterías de
manera efectiva en estas aplicaciones. No necesitan mantenimiento durante
14 años y no son tóxicos. El sistema de equilibrado pasivo incorporado no
requiere monitoreo. Una alarma de sobretensión opcional está disponible,
pero no es necesario.
70
Figura 65. Ultracondensadores Maxwell módulo 56 V [17]
Figura 66. Ultracondensadores
4. ANÁLISIS ECONÓMICO
4.1. COMERCIALIZACIÓN
En este apartado, se analizará la inversión que habría que realizar para
producir un kart de ocio que funcione con hidrógeno. Algunos de los
elementos diseñados tienen unas características únicas por lo que se hará
una estimación de los precios con elementos similares que podamos
encontrar en el mercado. Otros elementos no podemos conocer su precio
puesto que las empresas que los proporcionan necesitan que se realice un
pedido a través de una empresa.
71
CHASIS
1
PRECIO
UNIDAD(€)
-
CARROCERIA
EJE PARAGOLPES
DELANTERO
EJE PARAGOLPES LATERAL
1
45
2
60
PARAGOLPES FRONTAL
1
51
PARAGOLPES LATERAL
2
39
PARAGOLPES TRASERO
1
85
PARAGOLPES SUPERIOR
1
16
BOMBA DE FRENADO
1
210
DISTRIBUIDOR Y CABLEADO
PINZA DE FRENO Y
PASTILLAS
DISCO DE FRENO
1
25
2
220
2
140
ASIENTO
1
110
REPOSA CABEZA
1
20
VOLANTE
1
110
SOPORTE DEL VOLANTE
1
33
COLUMNA DE DIRECCION
1
45
BIELAS
2
13
MANGUETAS DE DIRECCION
2
60
BANDEJA DELANTERA
1
52
BANDEJA CENTRAL
1
30
BANDEJA TRASERA
1
30
KIT DE PEDALES
2
38
BUJES
RODAMIENTOS
DELANTEROS
RODAMIENTOS TRASEROS
2
54
2
20
2
22
LLANTAS DELANTERAS
2
50
LLANTAS TRASERAS
2
70
UNIDADES
SISTEMA DE FRENADO
ELEMENTOS DE DIRECCIÓN
BANDEJAS
ELEMENTOS DE RODADURA
72
NEUMÁTICOS DELANTEROS
2
70
NEUMÁTICOS TRASEROS
2
80
PILA DE COMBUSTIBLE
1
-
MOTOR ELÉCTRICO
1
380
ULTRACONDENSADORES
1
-
TANQUE HIDRÓGENO
-
Tabla III. Valor de las piezas [18]
5. ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL CHASIS
A continuación, se utilizará el programa Catia 5.0 para realizar simulaciones
del chasis ante posibles esfuerzos a lo largo de una carrera. Volvemos a
recordar las características del acero elegido para el chasis.
Propiedad
Módulo elástico
Coeficiente de Poisson
Módulo Cortante
Densidad de masa
Límite de tracción
Límite elástico
Conductividad térmica
Calor específico
Valor
2,05E+11
0,285
8,00E+10
7850
7,31E+07
4,60E+08
4,27E+01
4,77E+02
Unidades
N/m^2
N/D
N/m^2
kg/m^3
N/m^2
N/m^2
W/(m·K)
J/(kg·K)
Tabla II. Propiedades acero 4130 [13]
Para la simulación del chasis nos quedaremos con los elementos que
más van a sufrir en mayor medida los esfuerzos, por lo tanto,
eliminaremos distintas partes auxiliares del chasis dejando para el
estudio el siguiente modelo.
73
Figura 67. Chasis para simulación
Elementos de estudio:
-
Chasis tubular.
Soporte del eje trasero.
Elementos eliminados:
-
Horquillas (soporte de las manguetas de dirección)
Elementos auxiliares para la sujeción de las bandejas, el reposa
cabezas y el asiento.
Los agujeros del soporte del eje trasero.
Las hebillas de los cinturones.
74
Z
14
x
y
11
13
9
7
4
3
12
8
10
2
6
5
1
Figura 68. Partes chasis simulación














Marca 1: Soporte del paragolpes delantero
Marca 2: Tubo frontal
Marca 3: Soportesdel tanque de hidrógeno
Marca 4: Soportes del protector de la columna de dirección.
Marca 5: Punto de unión con las horquillas de las ruedas delanteras
Marca 6: Soporta de los paragolpes laterales
Marca 7: Larguero lateral derecho
Marca 8: Larguero lateral izquierdo
Marca 9: Soporte inferior del asiento y del motor elétrico
Marca 10: Soporte de la columna de dirección.
Marca 11: Soportes del respaldo del asiento
Marca 12: Soporte del eje trasero
Marca 13: Soportes del paragolpes trasero
Marca 14: Soporte de la pletina del respaldo del asiento
Para estas simulaciones se procederá a realizar el mallado de la pieza a
estudiar. Se determinarán los esfuerzos y los desplazamientos del mismo a
partir del método de elementos finitos. Las características de nuestra malla
serán las siguientes:
Tamaño de malla: 5 mm
Tipo de malla: tetraédrica lineal
Tolerancia. 0,5
75
Figura 69. Mallado del chasis
1ª SIMULACIÓN: RESISTENCIA DEL CHASIS EN
PARADO
Para realizar la simulación de una manera más asequible hemos asumido que
los esfuerzos que observará el chasis serán cargas distribuidas a lo largo de
determinados tubos. Para el cálculo de las cargas se han recogido los pesos de
los elementos más pesados del vehículo y se han tenido en cuenta sus
localizaciones.
Tomando g= 9,8 m/s2
Hipótesis:
-
-
-
-
Consideramos fijos los elementos ligados a las ruedas, puesto que son
los que van a soportar el peso tanto del piloto como de los elementos
incorporados al vehículo. Por lo tanto, habrá empotramientos en las
marcas 5 y 12.
Se supondrá que el peso del parachoques exterior se dividirá en 4
partes. La delantera (15% del peso total), la trasera (25%) y las dos
laterales (30% cada lado). Peso total aproximadamente 15 kg. (147 N)
El peso del paragolpes delantero (aprox. 11kg) sobre la marca 1. El peso
del paragolpes se dividirá entre los dos soportes.
Fz= -(108+0,15*147)/2=-65N
El peso de los pies sobre la marca 2 lo consideramos despreciable.
Todo el peso del conductor estará centrado en el asiento.
Sobre la marca número 3 actuará una carga debida al peso de la
bombona de hidrógeno (5,55 kg). Se repartirá el peso entre los dos
soportes.
Fz= -54,4/2= -27,2 N
76
-
-
-
-
-
En la marca número 4 actuará el peso de la protección de la columna de
dirección (aprox 3 kg). Se dividirá la carga entre los dos apoyos.
Fz= -29,4/2 =-14,7N
La marca 6 estará sometida al peso del paragolpes lateral (aprox. 9,5
kg) sobre la marca 1. El peso del paragolpes se dividirá entre los dos
soportes.
Fz= -(93+0,60*147)/2 = -90,6N
Sobre los dos últimos tramos del larguero lateral derecho (marca 7)
incidirá el peso de la pila de combustible (60 kg). Fz= - 588N
Por el otro lado, sobre los dos últimos tramos del larguero lateral
izquierdo en la (marca 8), habrá una carga debida al peso de los
ultracondensadores (18 kg).
Fz= - 176,4N
En las barras de la marca 9 tendremos en cuenta el peso del asiento (4
kg), el del piloto (75 kg), el motor eléctrico (11 kg) y las bandejas central
y trasera (1,5 kg y 1 kg respectivamente). Toda esta carga se dividirá
entre los dos tubos.
Fz= -906,5/2=- 453,3N
En la marca 10 habrá una carga debida al peso de la columna de
dirección y el volante (0,6 kg y 1,2 kg respectivamente). Fz= -17,6 N
Para el caso en estático suponemos que las cargas las marcas 11, y 14
son despreciables.
Por último, sobre la marca 13 recaerá el peso del paragolpes trasero (9
kg). Al igual que con los otros paragolpes, la carga se divide entre los
dos soportes.
Fz= -(88,2+0,25*147)/2 = -62,5 N
Restricciones en la malla:
Figura 70. Restricciones chasis 1ª Simulación
77
Cargas:
Figura 71. Cargas 1ª Simulación
Von Misses: Se aprecia que los puntos de mayor esfuerzo son los cercanos a
los soportes del eje trasero. Los largueros laterales son los tubos que más
esfuerzos soportan. El larguero derecho soporta una carga mayor debido al
gran peso de la pila de combustible.
Figura 72. Von Misses 1ª Simulación
78
Detalle del punto más crítico: 62,5 MPa. Muy inferior al límite elástico (460
MPa). Como decíamos el punto más crítico está en el larguero derecho debido
al peso de la pila de combustible.
Figura 73. Punto crítico 1ª Simulación
Desplazamientos: El mayor desplazamiento será de 0,875 mm hacia abajo en
la parte superior del reposa cabezas. Es un valor normal. Tiene sentido ya que
es el punto más alejado de los empotramientos.
Figura 74. Desplazamientos 1ª Simulación
79
2ª SIMULACIÓN: RESISTENCIA CON ACELERACIÓN DE
MÁXIMA
Para este caso se estimará que la aceleración máxima alcanzada por nuestro
kart será de 5 m/s2. Este valor es más propio para un kart de competición por lo
que se excederá de una situación real en un karting de ocio.
Además de los pesos que calculamos con el coche en reposo aparecerán
nuevas cargas en el eje x de valor F=m*a (Siendo “m” la masa del elemento a
estudiar y “a” la aceleración del kart).
Hipótesis:
-
-
-
-
-
Consideramos fijos los elementos ligados a las ruedas, puesto que las 4
ruedas están en contacto con el suelo. Por lo tanto, habrá
empotramientos en las marcas 5 y 12.
Se supondrá que la fuerza del parachoques exterior incidirá en su
totalidad en la parte delantera del kart por lo que se lo sumaremos a la
carga del parachoques delantero en la marca 1.
Marca 1: Fz= -(108+0,15*147)/2=- 65NFx= (11+15)*5/2 = 65 N
Marca 2: Despreciable
Marca 3: Fz= -54,4/2= -27,2 N Fx= 5,55*5/2= 13,9 N
Marca 4: Fz= -29,4/2 = -14,7N Fx= 3*5/2 = 7,5 N
Marca 6: Fz= -(93+0,60*147)/2 = -90,5 N Fx= 9,5*5/2 = 23,8 N
Marca 7: (Sobre los dos últimos tramos del larguero lateral derecho)
Fz= - 588 N Fx= 60*5 = 300 N
Marca 8: (Sobre los dos últimos tramos del larguero lateral izquierdo)
Fz= - 176,4 N Fx= 18*5 = 90 N
Marca 9: Supondremos que toda la carga en el eje x por parte del
asiento y el conductor los absorben las marcas 11 y 14. Solo tendremos
en cuenta el motor y las bandejas sobre los soportes de la marca 9.
Fz= -907/2=- 453,5NFx= (11+1,5+1)*5/2 = 33,8 N
Marca 10: habrá una carga debida al peso de la columna de dirección y
el volante (0,6 kg y 1,2 kg respectivamente).Fz= -17,6 N Fx= 1,8*5 = 9 N
Marcas 11 y 14: Se reparten las cargas del conductor y el asiento por
igual.
Fx= (4+75)*5/2 = 197,5 N
Marca 13: Fz= -(88,2+0,25*147)/2 = - 62,5 N Fx= 9*5/2 = 22,5 N
80
Figura 75. Cargas 2ª Simulación
Von Misses: Se aprecia que además de los esfuerzos cercanos a los soportes
del eje trasero, existen grandes esfuerzos en la parte inferior de los soportes
del asiento. Tiene sentido puesto que el peso del piloto está siendo soportando
en esas uniones.
Figura 76. Von Misses 2ª Simulación
81
Detalle del punto más crítico: 78,4 MPa. Muy inferior al límite elástico (460
MPa). Los puntos más críticos aparecen en los soportes del eje del asiento.
Ligeramente superior en la zona de la izquierda que el de la derecha.
Figura 77. Puntos críticos 2ª Simulación
Figura 78. Detalle 2ª Simulación
82
Desplazamientos: El mayor desplazamiento será de 2,8 mm hacia abajo en la
parte superior del reposa cabezas. Se aprecia que apenas hay desplazamiento
hacia abajo en gran parte del vehículo, tan solo en la zona del reposa cabezas.
Figura 79. Desplazamientos 2ª Simulación
3ª SIMULACIÓN: IMPACTO FRONTAL
En este caso el chasis se pondrá a prueba ante una de las situaciones más
peligrosas en un karting. Se simulará la colisión del coche contra un muro de
contención con una aceleración de 5 m/s2. Las cargas que habrán serán las
mismas que en el caso 2 pero ahora añadiendo una carga de 1 kN en el eje X y
aplicado en la marca 1 (soporte del parachoques delantero).
Figura 80. Cargas 3ª Simulación
83
Von Misses: Se aprecia que los puntos de mayor esfuerzo son los cercanos a
las horquillas de las ruedas delanteras. Este es uno de los límites de estudio de
esfuerzos sobre el chasis y aun así seguimos teniendo un factor de seguridad
elevado (107 Mpa< 470 MPa). Las secciones de los largueros laterales y de la
parte inferior del respaldo trasero no sufren mucho el golpe recibido. Se
concentra casi todo en la parte frontal.
Figura 81. Von Misses 3ª Simulación
Detalle del punto más crítico:
Figura 82. Punto crítico 3ª Simulación
84
Desplazamientos: El mayor desplazamiento será de 2,86 mm hacia abajo en la
parte superior del reposa cabezas. Sin embargo, ahora podemos apreciar una
gran sección desplazada en la parte frontal del chasis.
Figura 83. Desplazamientos 3ª Simulación
4ª SIMULACIÓN: IMPACTO LATERAL
Para este caso se simulará la posible colisión de un kart contra otro por uno de
los laterales. Se repite el caso para a=5 m/s2. Las cargas que habrán serán las
mismas que en el caso 2 y 3 pero ahora añadiendo una carga de 0,8kN (se
estima que el golpe no será tan grave como el del caso anterior) en el eje Y
aplicado en la marca 6 (soporte del parachoques lateral).
Figura 84. Cargas 4ª Simulación
85
Von Misses: En esta situación apenas se aprecia la diferencia con la situación
del caso 2. Esto se debe a que la carga se distribuye por una sección muy
larga y rígida.
Figura 85. Von Misses 4ª Simulación
Detalle del punto más crítico:
Figura 86. Punto crítico 4ª Simulación
86
Desplazamientos: Similares al caso 2. Máximo desplazamiento como siempre
en la parte superior de valor 2,81 mm.
Figura 87. Desplazamientos 4ª Simulación
5ª SIMULACIÓN: PASO POR UN PIANO
Para este caso se simulará la conducción del kart pasando con sus dos ruedas
de la izquierda por encima de un piano. Se repite el caso para a=5 m/s 2. Las
cargas que habrá serán las mismas que en el caso 2 y 3 pero ahora existirán
dos fuerzas donde estaban los empotramientos emulando las reacciones
debidas al piano. El valor de estas fuerzas será de 700 N en el eje Z positivo.
Figura 88. Restricciones chasis 5ª Simulación
87
Restricciones:
Figura 89. Cargas 5ª Simulación
Von Misses:
Figura 90. Von Misses 5ª Simulación
88
Detalle: Se comprueba que los puntos más críticos son el punto cercano al
soporte del asiento en el lado derecho y como era de esperar existe un gran
esfuerzo en la unión con las horquilla derecha.
Figura 91. Puntos críticos 5ª Simulación
Desplazamientos: El mayor desplazamiento será de 4,7 mm de nuevo en el
reposa cabezas. Todo el lateral izquierdo sufre un desplazamiento en la
dirección Y debido al ascenso producido por el piano.
Figura 92. Desplazamientos 5ª Simulación
89
6. CONCLUSIONES
En primer lugar, destacar lo cerca que está el fin de los recursos fósiles en
la Tierra. Cada vez va aumentando más y más la población mundial y uno
de los mayores consumos que hay a nivel global es el del petróleo. El sector
automovilístico es uno de los más grandes e importantes sectores y que va
muy relacionado con el medio ambiente. Es por ello que los ingenieros de
hoy en día tienen que hacer un gran hincapié en buscar fuentes alternativas
y renovables para solucionar una de las grandes demandas a día de hoy.
Ya no solo por el propio planeta, sino por la gran dependencia que hay de
los medios de transporte de combustión interna. El sector del karting es una
de las formas en las que se pueden probar dichas fuentes renovables con
un menor coste que los vehículos de turismo. Es por ello que la aplicación
de las nuevas tecnologías en los karts favorece la atracción de los
inversores para apostar por dichas fuentes.
En segundo lugar, comentar la gran potencia de los programas de CAD,
tanto del Catia v5 como del Solid Edge. Son herramientas fundamentales en
cualquier sector industrial. Son programas que, llegando a dominar, se
pueden obtener resultados muy cercanos a la realidad. Es cierto que en el
caso de este proyecto se ha conseguido realizar un buen diseño del kart,
sobre todo gracias a las referencias encontradas en la red y a los apuntes y
al profesorado de ICAI. Posiblemente se podría haber mejorado aún más el
apartado estético con un programa como Keyshot debido a la escasez de
colores de Solid Edge. Aun así, se ha conseguido obtener un colorido
modelo.
En cuanto al análisis estructural del chasis, se han tenido que realizar
hipótesis mucho más alejadas de la realidad, tanto por falta de
conocimientos como de tiempo. En un conjunto hay que tener en cuenta la
relación entre las distintas piezas del conjunto y en el caso de las
simulaciones realizadas no existirán sólo cargas distribuidas a lo largo de
las barras, también habrá cargas puntuales, momentos flectores,etc... Cabe
decir que a pesar de no acercarse es un buen comienzo para el diseño y
análisis del chasis. En caso de que fueran hipótesis aceptables, se aprecia
claramente que el chasis soporta de sobra cualquier estudio con un gran
coeficiente de seguridad. Esto indica que se pueden hacer una gran
optimización en cuanto a su masa y, por consiguiente, a su coste. Para ello
sería recomendable un programa como Ansys.
En lo referente al estudio económico no se ha podido realizar un completo
análisis puesto que las piezas que son características del kart exigían la
compra por parte de una empresa para conocer los precios. En caso de
tenerlos se podría haber realizado una buena comparativa con los karts que
se usan hoy en día en los circuitos de ocio. A su vez no ha sido posible
comparar el consumo de un kart funcionando con hidrógeno. Sería un
estudio bastante interesante comparar el gasto debido al combustible. Otro
análisis que interesaría bastante sería el ahorro de contaminación gracias a
estos vehículos.
90
Por último, un resultado positivo ha sido encontrar una buena pila de
combustible, un adecuado tanque de hidrógeno, un motor eléctrico que es
apropiado para este tipo de vehículos y por último una serie de
ultracondensadores compatible con el resto de elementos. Con más tiempo,
conocimientos y personas se puede llevar a cabo un buen diseño como el
del equipo aragonés en la competición de Fórmula Zero. Lo que es seguro
es que en pocos años seremos testigos de esta tecnología en los vehículos
de turismo.
7. INNOVACIONES FUTURAS
-
Diseño de un modelo junior para los niños de categoría juvenil.
Diseño del kart en otros colores.
Mejora y optimización del sistema de seguridad y del peso del chasis a
través de otros programas (como por ejemplo Ansys).
Estudio de combinaciones entre pilas y motores para mejorar las
prestaciones del kart.
Estudio de viabilidad de cambiar distintas piezas con objetivo de reducir
el precio del kart.
Estudio de otras simulaciones en pista o mejor desarrollo en los tipos de
esfuerzos que suponemos sobre el chasis.
91
BIBLIOGRAFÍA
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[2]: “Karting outdoor”: http://www.gardalake.com/wpcontent/uploads/2012/05/south-garda-karting-3.jpg
[3]: “Karting indoor”: http://www.multiaventurapark.com/wp-content/gallery/lasrozas-de-madrid/karting-las-rozas.jpg
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Theory, and Desing (Second Edition) // Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Ali Emadi.
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2.0
[6]: “Electrólisis del agua”: http://www.educaycrea.com/wpcontent/uploads/2013/05/electrolisis-agua.jpg
[7]: “Audi A7 Sportback h-tron quatrro”:
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[8]: “Tanque externo de hidrógeno de un transbordador espacial”:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a5/Externaltank.jpg/3
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[9]: “Pila de combustible PEM”: https://quimica-biologia-1213.wikispaces.com/file/view/pilas_img1.jpg/382409452/601x353/pilas_img1.jpg
[10]: “Ultracondesadores Maxwell Technologies”:
http://www.maxwell.com/images/products/Maxwell_Portfolio_Shot_new_June_2
015.png
[11]: “Kart de hidrógeno del equipo Unizartech2”:
http://estaticos01.elmundo.es/elmundomotor/imagenes/2008/04/11/1207933578
_extras_noticia_1_0.jpg
[12]: “Sodikart Honda 270 cc”: http://deportes-aventura.es/wpcontent/uploads/2013/05/karts-1024x689.jpg
92
[13]: Trabajo Fin de Grado de la Universidad de Zaragoza del curso 2013-2014
“Diseño y análisis de un vehículo tipo kart”
[14]: “Motor eléctrico Sin escobillas DC 5 KW“:
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[15]: “Pila de combustible HyPM HD”:
http://img.directindustry.com/images_di/photo-m2/fuel-cells-for-the-automotiveindustry-33492-2412467.jpg
[16]: “Tanque de hidrógeno Dräger”:
http://www.draeger.com/sites/assets/PublishingImages/Products/cre_cylinders/
ES/compressed_air_cylinders_pi_es.pdf
[17]: “Ultracondensadores Maxwell módulo 56 V”:
http://www.maxwell.com/images/documents/56vmodule_ds_1017119-3.pdf
[18]: “OTK Kart Parts”: http://www.sportkart.es/images/catalogo.pdf
[19]: “Apuntes de ICAI de la asignatura de Máquinas Eléctricas”
93
ANEXO III: PLANOS
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