1. INTRODUCCIÓN
El karting es una excelente escuela y la mejor
manera para que los jóvenes aprendan a conducir y competir [1] en particular para el IST Carlos Cisneros, el diseño, construcción de
kartings y la participación de los estudiantes en las categorías de competición
organizadas a nivel local y nacional han sido una vitrina para que puedan
demostrar sus conocimientos y habilidades técnicas dentro del campo automotriz.
Aunque el kart es una máquina de diseño
sencillo, el alto grado de competición lo convierte en un deporte de muy alto
nivel en el que los profesionales más competentes se enfrentan entre ellos [1]. Los primeros karts conocidos fueron creados por soldados de una base
aérea estadounidense, a principios de la década de los 50. Según la historia
soldaron sus propios karts a partir de restos de aviones, con el único objetivo
de competir entre ellos durante sus días libres [2]. Esto hizo nacer la esencia del mundo del kartismo, la competición a
bordo de un vehículo sencillo, sin suspensiones ni diferencial, diseñado
básicamente para disfrutar [2].
Actualmente este deporte es regulado por CIK (Comisión
Internacional de Karting) creada en 1962 y forma parte de la FIA (Federación
Internacional de Automovilismo). Su objetivo principal es garantizar la unidad
del mundo del karting, fomentar y desarrollar la práctica de esta disciplina en
todo el mundo y desarrollar reglamentos técnicos y deportivos [1].
CIK establece las categorías de
competición las cuales se dividen en tres grandes grupos [2]:
1. Automáticos, agrupados bajo la denominación KF
2. Karts con marchas, agrupados bajo la denominación KZ
3. Superkarts, que tienen carrocería completa y que, debido a sus complejas
características aerodinámicas, gran potencia y poco peso están destinados a lo
más alto de la competición.
La categoría KF que es en la que se
desarrollará este proyecto, tiene la particularidad de que la CIK se percató de
que los motores 2T habían llegado al fin de su evolución. Alcanzaban las 20000
r.p.m., pero a costa de una vida útil muy corta y unos costes muy elevados,
como solución se adopta un único modelo de motor de 125 c.c., para todas las
subcategorías KF. Sin embargo esto no deja de ser un paso intermedio hacia una
nueva generación de motores de 4T, pues como ya ocurre en el motociclismo estos
motores se han impuesto a los de 2T por su mejor rendimiento de combustible y
su menor impacto ambiental [2].
En el campo de la técnica
automotriz, el kartismo ha logrado atraer a numerosos profesionales
automotrices para que den solución a los diversos factores que pueden afectar a
este deporte, principalmente ayudando a los equipos y pilotos a adaptarse y
cumplir las diferentes normativas que las competiciones adoptan. El IST Carlos
Cisneros en este contexto viene participando activamente de este tipo de
competiciones centrándose sobre todo en la aplicación técnica y científica de
los diferentes conocimientos necesarios para crear este tipo de vehículos.
En particular en el Ecuador a nivel
universitario la copa Novacero es un referente. Su reglamentación establece que
el peso máximo del monoplaza es de 185 kg y el uso de motores de 4T
estacionarios marca Honda [3].
El factor competitivo ha llevado a
que varias Universidades e Institutos tecnológicos a nivel local hayan puesto
de manifiesto su interés en la construcción de este tipo de vehículos como es
el caso del trabajo de titulación realizado en la Universidad Tecnológica
Equinoccial [4], en el cual mediante la utilización de las ecuaciones de
dinámica vehicular logran establecer las prestaciones que debe tener el motor y
la transmisión para construir un kart de entrenamiento con un motor de 12 Kw de
potencia, 18 Nm y una relación de transmisión de 3,33:1 que sin embargo penaliza
la velocidad final a 50 km/h.
Es importante también destacar el trabajo
realizado en la Universidad Carlos III de Madrid [5] en donde se pone de manifiesto que para su diseño de chasis
de kart uno de los aspectos iniciales ha sido el uso de la dinámica vehicular, ya
que específicamente para el aspecto de diseño de la carrocería, fue importante
el establecer las características de prestaciones que debe tener el karting y
de esta manera lograr equilibrar variables críticas como lo son el peso del
karting o la potencia final del motor.
Es así como luego de considerar estos
estudios y proyectos a nivel local e internacional, los cuales guardan relación
con el presente trabajo se ha establecido que el objetivo que se plantea es la
aplicación de un análisis mediante
dinámica vehicular para la selección del motor de combustión interna y el
sistema de transmisión de potencia para uno de los kartings institucionales fundamentándose
principalmente en la correspondiente justificación teórica y técnica logrando de
esta manera ejecutar experimentalmente la validación de las selecciones
realizadas.
2.
METODOLOGÍA Y
MATERIALES
El desarrollo del presente trabajo
consistió en primera instancia de apoyarse en un análisis documental,
refiriendo trabajos previos realizados a nivel local e internacional y
comparando su fundamentación con obras de la bibliografía del ramo para validar
los procedimientos. Se ha tomado como referencia trabajos como el de la Universidad
Politécnica de Catalunya [6] en el cual sus autores diseñan un kart de pista utilizando
cálculos de los diferentes tipos de fuerzas resistentes que se presentan en la
dinámica vehicular para la selección del motor.
De igual manera a partir del trabajo [5] de la Universidad Carlos III de Madrid y de la implementación de un kart de la Universidad Tecnológica Equinoccial [4], se ha revisado la metodología de cálculo y selección realizada por estos autores, comparando y validando las ecuaciones utilizadas con las que se proponen en las obras [7]–[9] cuyos autores desarrollan a fondo la aplicación de la dinámica vehicular para el diseño automotriz, y logrando de esta manera establecer la metodología que permita ejecutar la implementación del motor y transmisión del kart para el presente trabajo.
En particular el problema que se plantea
tiene que ver principalmente con la selección adecuada del motor y la relación
de transmisión para el karting, partiendo de que elementos referentes a chasis
y otros componentes del vehículo ya han sido construidos por los estudiantes
del IST Carlos Cisneros.
Usando el método inductivo generalmente
utilizado en la ciencia experimental y que consiste en basarse en enunciados
singulares, tales como descripciones de los resultados de observaciones o
experiencias para plantear enunciados universales [4] se considera que las ecuaciones de dinámica
vehicular utilizada en los estudios anteriormente citados en las cuales se
basan para construir sus modelos de kart, serán válidas para el presente caso considerando
además que el diseño de este tipo de vehículos para competición, se basa también
en la aplicación de un reglamento general.
A continuación, se establecen las
fases en las cuales este trabajo se desarrolló, buscando un orden y el éxito de
la implementación:
●
Parámetros de
Diseño
●
Parámetros
Técnicos
●
Selección de
Motor
●
Diseño de
Transmisión
●
Implementación y
adaptación.
●
Pruebas
Parámetros
de Diseño
Un kart es un vehículo terrestre monoplaza sin
techo o cockpit, sin suspensión y con o sin elementos de carrocería, con 4
ruedas no alineadas que están en contacto con el suelo, las dos delanteras
ejerciendo el control de la dirección y las dos traseras conectadas por un eje
de una pieza, que transmiten potencia. Sus partes principales son: El chasis,
los neumáticos y el motor [10].
El chasis
De acuerdo con la reglamentación de CIK/FIA [5]
es la estructura que ensambla a las partes mecánicas y la carrocería,
comprendida cualquier pieza solidaria de dicha estructura. Debe seguir
especificaciones de la Tabla 1 para poder ser homologado. Estas medidas se deben cumplir, independientemente
de la categoría a la cual se califique.
El chasis que se utiliza para la motorización
del kart utiliza un acero tubular, todo el conjunto se encuentra soldado y fijo
en sus puntos sin la implementación de articulaciones de cualquier tipo, lo
cual cumple con las reglamentaciones de CIK/FIA.
Tabla
1. Dimensiones y especificaciones del chasis según CIK/FIA.
|
Dimensión |
|
|
Distancia entre ejes |
Min. 1010 mm |
|
Máx. 1070 mm |
|
|
Vía |
Mín. 2/3 de la distancia entre ejes |
|
Largo total máximo |
1820 mm sin contar parachoques |
|
Ancho total |
Máx. 1400 mm |
|
Alto total |
Máx. 650 mm sin contar el asiento |
En la Fig. 1, se presenta la construcción del chasis realizado por los estudiantes
del IST Carlos Cisneros y en la Fig. 2 el chasis finalizado en el que se implementará el kart, las medidas de
construcción se adoptaron para que se cumpla con la reglamentación que se
muestra en la Tabla 1.
Fig. 1: Construcción del chasis.
Fig.
2: Estructura del chasis en el que se implementa
el Kart.
El motor y la transmisión que se implementará
deben adaptarse al chasis diseñado, de acuerdo con [3] deben ser estacionarios de la marca Honda, para lo cual es importante
tener en cuenta las medidas finales obtenidas en el chasis, estas medidas se
muestran en la tabla 2.
Tabla 2. Medidas del chasis final
del karting.
|
Especificación |
Dimensión |
|
Distancia entre ejes |
1020 mm |
|
|
|
|
Vía |
86.5 mm |
|
Largo total máximo |
1600 mm |
|
Ancho total |
1290 mm |
|
Alto total |
30 mm |
Neumáticos
Los neumáticos en el kart son los únicos
elementos que pueden estar en contacto con el suelo de acuerdo con la
reglamentación. Para el kart en cuestión se utilizarán unos neumáticos para
pista de tipo slicks. Según CIK/FIA [10] pueden usarse 2 tamaños de neumáticos, los de 5 pulgadas y 6 pulgadas.
Se ha elegido los neumáticos rin 5, cuyas características se muestran en la
tabla.
Tabla 3. Características técnicas de
los neumáticos elegidos para el karting.
|
Neumáticos Vega |
|
|
Delantera |
10 x 4.60 5 |
|
Trasera |
11 x 7.10 5 |
|
Presión en frío |
0.60 bar (±0.05) |
|
Velocidad máxima |
180 km/h |
Motor
En cuanto al motor la reglamentación de la
CIK/FIA establece que para las categorías KF y KZ se usan motores de 2T de 125
c.c. La categoría superkart usa motores con cilindrada 250 c.c. No está
permitida la inyección electrónica y el único combustible permitido es la
gasolina [10].
La refrigeración se puede realizar por agua con
la ayuda de un radiador, y el sistema de escape se debe ubicar por detrás de la
posición de conducción del piloto a una altura de 450 mm, desde el suelo hasta
su punto más alto, el material con el que se debe construir es acero y será
obligatorio que la salida de escape después del silenciador no sea mayor a 30
mm de diámetro [5]. En el caso local la reglamentación de la copa Novacero
Interuniversidades [3], establece que se debe usar motores estacionarios de 4T de la marca
Honda.
Parámetros
Técnicos
En esta sección se establecen los diferentes
parámetros técnicos a tomar en cuenta para la selección del motor de combustión
interna que integrara el karting. En las competiciones nacionales, generalmente
se buscan alcanzar velocidades entre 90 o 100 km/h. En el caso de este proyecto
el objetivo es alcanzar los 90 km/h por lo que se realizarán los cálculos
correspondientes para determinar el motor adecuado que pueda lograr vencer las
fuerzas de oposición al movimiento que en la dinámica de vehículos se genera.
En el aspecto de la transmisión el karting que
se diseña no tiene caja de cambios, por lo que será crítica la selección de las
relaciones de transmisión de acuerdo con el circuito en el que se pretende
competir.
Peso
Para la determinación del motor, es
indispensable conocer el peso total que este debe mover y ser capaz de alcanzar
los 90 km/h, para ello se elabora la Tabla 4 en la que se desglosa el peso máximo de cada componente en kg y se
establece la masa total del monoplaza.
Tabla
4. Peso máximo de los elementos que integran el karting.
|
Elementos |
Peso [kg] |
|
Chasis |
15.8 |
|
Motor |
16.1 |
|
Otros sistemas |
19.5 |
|
Piloto |
65 |
|
Total |
116.4 |
Mediante la ecuación (1) se establece el peso total del vehículo en [N]. [9]
|
|
|
(1) |
W es el peso en [N]
m es la masa en [kg]
g es la gravedad en [m/s2]
El cálculo establece que el peso máximo del
monoplaza es de 1141.88 N.
Fuerzas tracción-resistencia
Para vencer los esfuerzos
resistentes se precisan esfuerzos tractores, generados en la interface
neumático-calzada; los cuales actúan, a su vez como reacción a los esfuerzos
transmitidos a las ruedas desde el motor, por intermedio del sistema de
transmisión [8].
Para el cálculo del karting se
utilizará la ecuación fundamental del movimiento longitudinal Ecuación (2) del
vehículo, es decir la que se produce siguiendo el eje x. Será preciso evaluar
las resistencias que se oponen al movimiento.
|
|
|
(2) |
Fx es la fuerza de tracción [N]
Fd es la fuerza de resistencia aerodinámica [N]
Rg es la fuerza de resistencia a la pendiente [N]
Rx es la fuerza de resistencia a la rodadura [N]
Ri es la fuerza de resistencia por la inercia [N]
Fuerza
de resistencia aerodinámica
Es la resistencia que crea el aire
al oponerse a que el vehículo pase a través de él. Los factores que se deben
considerar son el tamaño y la forma del vehículo, la velocidad del viento la
densidad del aire y su dirección [7]. Para su cálculo se utiliza la ecuación (3).
|
|
|
(3) |
En donde:
Cd es el coeficiente aerodinámico
A es el Área frontal aproximada del vehículo [m2]
es la densidad del
aire [Kg/m3]
V es la velocidad del vehículo
Tomando en cuenta estudios previos
realizados por otros autores [4] el valor de Cd en este caso se tomará el valor aproximado
de 0.8.
El área frontal de acuerdo con [9] se obtiene de forma aproximada, multiplicando el ancho (a)
por el alto del vehículo (h) y afectado por un coeficiente de 0.8 considérese
la Fig. 3.
Fig.
3: Dimensiones para el cálculo del área frontal.
Por lo que de acuerdo con la
ecuación (4) y los datos obtenidos del kart.
|
|
|
(4) |
Se tiene que:
En cuanto a la densidad del aire 
de acuerdo con [8]
esta se calcula con la ecuación (5).
|
|
|
(5) |
P es la presión atmosférica [kPa]
T es la temperatura [K]
R es la constante de gases que en este caso se usa 0.287 
En condiciones normales en la ciudad de Riobamba
la presión atmosférica (P) es de
71.02 kPa y el valor de temperatura es de 18°C. Al reemplazar estos valores en
la ecuación (5) se tiene que:
Usando la ecuación (3) y
reemplazando los valores considerados y condicionando el cálculo para la
velocidad máxima a alcanzar que es 90 km/h (25 m/s), se tiene que:
Resistencia
a la rodadura
Esta fuerza de resistencia se asocia
a la interacción entre las ruedas y la calzada, del tipo, perfil y presión de
inflado de los neumáticos; su magnitud depende de la masa del vehículo, del
coeficiente de rodadura, la gravedad y el ángulo de inclinación de la calzada.
Con la ecuación (6) se determina la resistencia a la rodadura:
|
|
|
(6) |
En donde:
Rx es la resistencia a la rodadura [N]
fr es el coeficiente de rodadura [-]
m masa del vehículo [kg]
g es el valor de gravedad
Ө es la pendiente
Tomando en cuenta que fr para asfalto seco de
acuerdo con [7] es 0.014, y para un valor de pendiente máximo de 3% se tiene que:
En cuanto a la resistencia a la pendiente la
ecuación
|
|
|
(7) |
M es la masa [kg]
g es la gravedad [m/s2]
Ө es la pendiente del circuito
La pendiente máxima que el karting debe superar
es de 5%, por ende, al reemplazar en la ecuación (7) se tiene que:
El presente cálculo se considerará en estado
estable [11] por lo que la resistencia a la inercia (Ri) se asume como 0.
De acuerdo con la ecuación (2) se establece entonces que:
Fx es la fuerza de tracción que el motor junto
con el conjunto de transmisión debe generarse en las ruedas para lograr que el
karting alcance un valor máximo de velocidad de 90 km/h.
Potencia
La potencia en rueda será aquella que se obtiene
del motor hacia las ruedas, de acuerdo con [7] se calcula utilizando la ecuación (8).
|
|
|
(8) |
Utilizando los
valores calculados previamente y asumiendo una velocidad máxima de 25 m/s (90
km/h) se tiene que:
Torque
El torque es la fuerza demandada por el vehículo
en rueda para que este pueda alcanzar y mantener una velocidad máxima de 90
km/h, debe obtenerse al final de la cadena cinemática de la transmisión. La
ecuación (9) se utiliza para
el cálculo del torque en rueda.
|
|
|
(9) |
Donde:
Rd es el radio dinámico
De los datos de los neumáticos se obtiene que el
diámetro nominal es de 256 mm. El radio nominal es de 128 mm. De acuerdo con [11] el radio dinámico puede considerarse como el 97% del radio nominal, por
ende entonces:
Aplicando la ecuación (9) se tiene que:
Selección
de motor
De acuerdo con los resultados que se
obtienen de la fase de parámetros técnicos se debe considerar un motor que
pueda entregar principalmente una potencia de 3.99 kW (5.35 hp), en cuanto al
torque en rueda es necesario 19.15 Nm, valor que sin embargo puede alcanzarse a
través del diseño de la relación de transmisión hacia el eje propulsor. Luego
de la comparación de algunos modelos de motores a través de una comparación de
parámetros técnicos se ha decidido instalar el motor Honda GX 200 Fig. 4 y las
especificaciones se presentan en la tabla 5.
Tabla 5. Especificaciones técnicas
del motor Honda GX 200.
|
Modelo GX 200 |
|
|
Tipo |
4 tiempos, gasolina |
|
Cilindrada |
196 c.c. |
|
Relación de
compresión |
8.5:1 |
|
Potencia neta |
4.3 kW (5.8 HP) a 3600 rpm |
|
Torque máximo |
12.4 Nm a 2500 rpm |
|
Sistema de
encendido |
Transistorizado |
|
Peso |
16.1 kg |
Fig. 4: Motor Honda GX200.
Diseño de
transmisión
Según el reglamento que dicta la CIA/FIA en un
kart la transmisión de potencia debe realizarse únicamente a las ruedas
traseras pudiendo utilizarse cualquier tipo de sistema de transmisión que se
considere adecuado. Debe considerarse que se debe exceptuar la utilización del
diferencial [10].
El tipo de transmisión que se utilizó es la
transmisión por cadena, para esto es necesario el determinar la relación de
transmisión adecuada considerando que se debe aplicar un torque de 19.9 Nm para
poder mover el karting con solvencia.
La relación de transmisión debe elegirse de
acuerdo al tipo de circuito en donde se realizará la competición [2], y se adecua a los circuitos calificados para la competición en Ecuador
a nivel nacional. Esto ha establecido a que se considere tres tipos de
circuito:
●
Circuitos
de Velocidad
●
Circuitos
trabados
●
Circuitos
mixtos
Para el cálculo de la relación de transmisión,
se considera la ecuación (10) que se aplica al cálculo de relaciones de transmisión en una amplia
variedad de vehículos [12].
|
|
|
(10) |
El valor de la
relación de transmisión i en
competición, mientras más alto sea el factor conseguido tendrá mayor capacidad
de arranque en pista, esto debido a la multiplicación de torque que se
consigue, sin embargo, la velocidad final que se puede alcanzar será menor, lo
que penalizaría las zonas rápidas del circuito. La ecuación (11) explica la relación entre el torque y la
relación de transmisión para un vehículo.
|
|
|
(11) |
Mp es el torque en el eje propulsor [Nm]
MM es el torque que genera el motor [Nm]
En este contexto la versatilidad del karting
para estos tres tipos de circuitos debe ser garantizada, por lo que de acuerdo
a las recomendaciones de otros autores y la revisión de las relaciones de
transmisión más comunes en este deporte se han diseñado tres tipos de relaciones
de transmisión adecuados para cada tipo de pista [2].
Relación
de transmisión A (iA)
Esta relación de transmisión será adecuada para
circuitos que requieren una velocidad final alta y un arranque moderado.
Aplicando la ecuación (10) y estableciendo que el piñón tenga 12 dientes y la catalina 42, se
tiene que:
La relación de transmisión obtenida es de 3.5:1,
a continuación, debe asegurarse que el torque para poder mover el karting sea
el adecuado en todo momento, para ello y basado en los datos del fabricante del
motor se establece tres momentos de variación de torque.
El máximo torque que otorga el motor es de 12.4
Nm a 2500 rpm, se le llamará MM1, el segundo momento que se
analizará es cuando el motor entrega su potencia máxima a 3600 rpm, en este
contexto el motor entrega un torque al que se le denomina MM2 de
11.4 Nm, el tercer momento a analizar es MM3 y se trata del torque
que el motor es capaz de aportar a la transmisión en ralentí a 1400 rpm, el
valor es de 11.74 Nm
Mediante la ecuación (11) se determina el torque en el eje propulsor que se le aplicará al
karting, en los tres momentos críticos.
El torque necesario de acuerdo con los cálculos
anteriores es de 19.9 Nm lo que con la relación de transmisión iA se satisface adecuadamente el valor
solicitado.
Relación
de transmisión B (iB)
Esta relación de transmisión será adecuada para
circuitos trabados en donde la capacidad de arranque sea fundamental y la
velocidad final no sea determinante para la competencia.
Aplicando la ecuación (10) y estableciendo que el piñón tenga 12 dientes y la catalina 50 dientes,
se tiene que:
La relación de transmisión obtenida es de 4.17:1
Mediante la ecuación (11) y los torques determinados anteriormente para iA se determina el torque en el eje propulsor que se le aplicará al
karting, en los tres momentos críticos.
En el caso del torque que se obtiene con la
relación iB también puede
establecerse que se satisface adecuadamente el valor solicitado.
Relación
de transmisión C (iC)
Esta relación de transmisión se ha elegido para
circuitos mixtos que tengan una demanda balanceada de la capacidad de arranque
y velocidad final.
Aplicando la ecuación (10) y estableciendo que el piñón tenga 12 dientes y la catalina 46 dientes,
se tiene que:
La relación de transmisión obtenida es de 3.83:1
En este apartado se aplica la ecuación (11) y los torques que se determinó anteriormente
para los tres momentos considerados de aporte de torque del motor y se
determina el momento en el eje propulsor que se le aplicará al karting.
En el caso del torque que se obtiene con la
relación iC también puede
establecerse que se satisface adecuadamente el valor requerido.
Implementación
y Adaptación
Una vez establecido el dimensionamiento de la
transmisión y seleccionado el motor, se procedió a implementar el karting. Para
el montaje de componentes se debe procurar respetar el reglamento de las
competencias en las que se compite y se debe adecuar los componentes para que
el ensamble sea adecuado. En la Fig. 5 se presenta el plano técnico del motor con las medidas que se debe
considerar para su montaje en el chasis.
Fig.
5: Plano técnico del motor Honda GX 200
En cuanto a los componentes de la transmisión se
mecanizaron las 3 catalinas y los piñones correspondientes a las 3 relaciones
de transmisión que se usarán durante las competencias. El material que se usó
para su construcción es Nitanyl el cual cumple con la norma DIN ASTM D53455 y
posee una resistencia a la tracción de 60 MPa. En la Fig. 6, Fig. 7 y Fig. 8 se aprecia el proceso de mecanización que se siguió
para su construcción.
Fig. 6: Diseño de las catalinas.
Fig.
7: Mecanización de la catalina
Fig. 8: Mecanización del porta
catalinas.
Con la implementación de una cadena de rodillos
ANSI# 50, seleccionada previamente de acuerdo con las características de la
transmisión que se implementa, se termina el ensamble del conjunto motor y tren
de potencia en el karting y se conecta al eje propulsor, véase la Fig. 9 y Fig. 10.
Fig.
9: Sistema de transmisión instalado.
Fig. 10: Vista frontal de la
transmisión.
Pruebas
Una vez finalizado el ensamblado de los
elementos auxiliares en el chasis Fig. 11 y Fig. 12 se realiza las
calibraciones o set up inicial para las pruebas en pista.
Fig. 11: Vista Frontal del karting
Fig. 12: Vista Lateral del karting.
Uno de los escenarios en los cuales se
competirán durante la temporada es el autódromo dos hemisferios en la ciudad de
Quito ubicado cerca del monumento de la mitad del Mundo. Para las competencias
se usa generalmente un trazado mixto de una distancia de 1300 m. El trazado se
muestra en la Fig. 13.
Las pruebas que se realizan consisten en evaluar
la efectividad de las relaciones de transmisión diseñadas en el presente
trabajo y evaluar los tiempos de vuelta que se obtienen de cada uno de ellos.
Esto conllevará a validar cual es la adecuada para la configuración de
transmisión para la competencia en este kartódromo. Se ha decidido realizar el
cronometraje de 10 vueltas considerando que de acuerdo al reglamento de la copa
Novacero [3] el mejor tiempo de calificación se obtiene de 10 vueltas.
Fig.
13: Trazado del kartódromo para la competición.
3.
RESULTADOS
Prueba de
Relación de Transmisión A (iA)
Las pruebas se realizan con el peso
establecido de 116.4 kg, se cronometra 10 vueltas al trazado de la pista con
cada una de las relaciones de transmisión diseñadas, se determinará el promedio
de vueltas con un intervalo de confianza del 95%. Los resultados se presentan
en la Tabla 6, Tabla 7, y Tabla 8.
Tabla
6. Resultados de la prueba de pista con la relación de transmisión A
|
Vuelta |
Tiempo (s) |
|
V1 |
76.988 |
|
V2 |
76.985 |
|
V3 |
76.986 |
|
V4 |
76.986 |
|
V5 |
76.987 |
|
V6 |
76.986 |
|
V7 |
76.985 |
|
V8 |
76.984 |
|
V9 |
76.983 |
|
V10 |
76.985 |
|
Promedio |
76.986 |
|
Desv. Estándar |
0.001 |
|
Intervalo de confianza |
0.001 |
Tabla
7. Resultados de las pruebas de pista con la relación de transmisión B.
|
Vuelta |
Tiempo (s) |
|
V1 |
74.527 |
|
V2 |
74.524 |
|
V3 |
74.522 |
|
V4 |
74.521 |
|
V5 |
74.525 |
|
V6 |
74.527 |
|
V7 |
74.531 |
|
V8 |
74.533 |
|
V9 |
74.535 |
|
V10 |
75.021 |
|
Promedio |
74.577 |
|
Desv. Estándar |
0.156 |
|
Intervalo de confianza |
0.112 |
Tabla
8. Resultados de las pruebas de pista con la relación de transmisión C.
|
Vuelta |
Tiempo (s) |
|
V1 |
72.862 |
|
V2 |
72.859 |
|
V3 |
72.843 |
|
V4 |
72.841 |
|
V5 |
72.832 |
|
V6 |
72.812 |
|
V7 |
72.814 |
|
V8 |
72.818 |
|
V9 |
72.816 |
|
V10 |
72.825 |
|
Promedio |
72.832 |
|
Desv. Estándar |
0.018 |
|
Intervalo de confianza |
0.013 |
4. DISCUSIÓN
A partir de los resultados presentados
anteriormente, se puede establecer que el motor y la transmisión cumplen
adecuadamente con los criterios de selección pues de acuerdo con los datos de
las pruebas experimentales, estos componentes del kart son capaces de mover el
vehículo y ser competitivos.
En la Tabla 9 se presentan los resultados a
considerar en el análisis.
Tabla
9. Tiempo de vuelta finales para cada relación de transmisión.
|
Relación de transmisión [-] |
Tiempo [s] |
|
iA (3.5:1) |
76.986 ± 0.001 |
|
iB (4.17:1) |
74.577 ± 0.112 |
|
iC (3.83:1) |
72.832 ± 0.013 |
En el circuito del kartódromo 2 hemisferios de
la Fig. 6, existen 3 curvas rápidas, 3 curvas trabadas, y 2 rectas de
velocidad, por lo que es un circuito del
tipo mixto. La capacidad de arranque y la velocidad final son importantes para
lograr buenos resultados en la competición. El motor Honda que se ha
implementado es capaz de aportar 4.3 kW de potencia dotándole de la solvencia suficiente
para lograr un buen desempeño en el karting desarrollado pues de acuerdo con
los cálculos realizados se necesita 3.99 kW para alcanzar una velocidad máxima
de 90 km/h, siendo este el límite de diseño del presente proyecto.
Considerando el torque necesario para mover el
karting, en este caso 19.9 Nm, las tres relaciones de transmisión aportan el
torque necesario ya que son capaces de aportar torque a partir de los 39.9 Nm a
partir de cualquier zona de funcionamiento del motor, y considerando las
características de los circuitos que se usan en competencias nacionales, se
establece que estos torques son adecuados para este karting principalmente
debido a que la capacidad de arranque está asegurada para cualquier tipo de
circuito.
Del análisis de la Tabla 9, se puede establecer
que, justamente para el circuito dos hemisferios considerado de tipo mixto, la
relación de transmisión que mejor desempeño tiene es la tipo C, relación que se
ha considerado como un valor intermedio de las tres que se ha seleccionado para
este karting. El tiempo de vuelta a este circuito de 1300 m se da en 72.832 ±
0.013 s, logrando que el karting pueda ser competitivo en condiciones de pista.
En cuanto a las otras 2 relaciones, se puede validar que la tipo A que tiene
mayor capacidad velocidad final da los peores resultados con 76.986 ± 0.112 s
debido a la penalización en las zonas trabadas del circuito en donde la
capacidad de arranque es fundamental. La relación tipo B obtiene 74.577 ± 0.112
s, el resultado en comparación con la tipo A es evidente, debido a la capacidad
de arranque que puede alcanzar solventando la penalización por la velocidad
final que sufre en las zonas rápidas, convirtiéndose en una alternativa con
respecto a la tipo C, relación que sin duda resulta ser la mejor elección para
este circuito.
El desarrollo de mejores prototipos es
importante para el equipo de trabajo, ya que en competencia mientras mejores
puedan ser los tiempos de vuelta el asegurar buenas posiciones en la parrilla
será fundamental. Este desarrollo solo se podrá conseguir si se intervienen
también en el diseño de los demás componentes del kart. A partir de la
aplicación de la dinámica vehicular la cual para el presente proyecto fue
fundamental para la selección del motor y la relación de transmisión, también
es clave para el diseño del chasis y la carrocería, ya que mediante optimización
de los diseños se puede disminuir el peso del vehículo impactando directamente
en los resultados de la fuerza de
tracción Fx para la selección del motor.
De igual manera el mejoramiento de los perfiles
aerodinámicos en el karting también puede afectar el resultado de Fx por lo que
se plantea además para futuros proyectos realizar nuevas implementaciones
centrándose en apartados como el peso, el diseño y la aerodinámica del
vehículo.
Finalmente es importante considerar el que esta esta investigación puede adentrarse además a
la selección de motores eléctricos en lugar de motores de combustión interna ya
que el principio de selección al basarse en la determinación de la fuerza de
tracción Fx, puede aplicarse perfectamente los motores eléctricos y enfocar el
desarrollo de estos prototipos a contribuir en la investigación del mejoramiento
del rendimiento de vehículos eléctricos, y sus baterías
5.
CONCLUSIÓN
Luego de aplicar el estudio con le ecuación
fundamental para el movimiento de vehículos (2), se establece que para el karting de peso 116.4 kg, la fuerza de empuje
necesaria para moverlo a una velocidad máxima de 90 km/h y una pendiente máxima
de 3%, es de 159.58 N.
El estudio analítico desvela que para alcanzar
los parámetros técnicos con los que se desea dotar al karting que en este caso
el límite de diseño es alcanzar los 90 km/h, la potencia necesaria a aplicar es
de 3.99 kW, esto permitió seleccionar y validar la potencia del motor Honda
GX200 el cual aporta 4.3 kW a 3600 rpm y permite alcanzar las prestaciones
establecidas.
En cuanto al torque necesario, a través de la
ecuación (9) y con los
neumáticos disponibles cuyo radio dinámico es de 0.12 m se ha calculado que al
karting se le debe aportar como mínimo un torque de 19.9 Nm, torque que se
consigue a través de las relaciones de transmisión debido a que el motor aporta
un torque máximo de 12.4 Nm a 3600 rpm, en ralentí aporta 11.74 Nm a 1400 rpm y
a máxima potencia se consigue 11.4 Nm a 3600 rpm.
La particularidad de los circuitos de
competición tales como el kartódromo dos hemisferios de la ciudad de Quito, así
como el torque solicitado luego de la fase de cálculo (19.9 Nm) ha determinado
que luego de una investigación documental se establezcan 3 relaciones de
transmisión: A (3.5:1) ideal para circuitos de velocidad, B (4.17:1)
establecida para circuitos trabados y C (3.83) para circuitos equilibrados o
mixtos. Cualquiera de las tres puede asegurar el funcionamiento del kart ya que
en la peor condición pueden aportar par a partir de los 39.9 Nm.
La realización de pruebas validó las selecciones
realizadas en este estudio, ejecutadas en el autódromo 2 hemisferios se
demuestra que para este circuito mixto el mejor tiempo de vuelta se consigue
con la relación de transmisión tipo C, establecida como una relación intermedia
de las tres seleccionadas, alcanzando un tiempo de vuelta de 72.832 ± 0.013 s,
tiempo que le permite al karting ser competitivo bajo las condiciones de diseño
establecidas.
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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