Bicicleta Eléctrica - MARIO ALAN DIAZ LOPEZ

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Universidad de Guadalajara.
Centro Universitario de Ciencias Exactas E Ingeniería.
División de Ingenierías.
Ingeniería en Mecánica Eléctrica.
Rediseño de bicicleta eléctrica.
Seminario Modular VII. Sección D04 Ciclo 2019A
 
Profesor: Cruz Hernández Alejandra.
Integrantes:
Díaz López Mario Alan.
Elizalde Ortiz María Ana.
Ramírez Salazar José Ricardo.
México, Guadalajara, Jalisco. Fecha 9 de Mayo de 2019.
Índice.
Índice de figuras.
Figura 1.Modelo de bicicleta eléctrica portátil…………………………………..…Pág. 4
Figura 2. Primeros modelos de bicicletas eléctricas……………………………..…Pág. 5
Figura 3. Sistema de anclaje de bicicleta…………………...…………..………...…Pág.6
Figura 4.Segunda patente, francés.
Figura 5. Tercera patente, E-Bike compañía Alemana……………………….….....Pág. 7
Figura 6. Cuarta patente, Brucart Puig, Ramón 
Figura 7. Prioridad de circulación……………………..…………..………….…..Pág. 10
Figura 8. Modelo por Eco-Mobile……………………..…………..………….…..Pág. 11
Figura 9. Bosquejo realizado en AutoCAD………………………..………….…..Pág. 12
Figura 10.Dibujo Técnico………………..………………………………..…....…Pág. 13
Figura 11.Diagrama de cuerpo libre…….…………………………….……......…Pág. 15
Figura 12.Bateria de Ion-Litio …………...……………………………..…..….…Pág. 16
Figura 13. Motor 500W.
Figura 14.Diagrama de cuerpo libre incluyendo batería y motor. ………..…….…Pág.17
Figura 15.Motor Eléctrico para bicicleta…………………………..….…..………Pág. 18 
Figura 16.Asistente de pedaleo. 
Figura 17.Acelerador y freno …………………..…………………..….…………Pág. 19
Figura 18.Switch de velocidad.
Figura 19. Formas de pago para Kit.
Figura 20.Batería Ion-Litio………………………………………..………………Pág. 20
Figura 21. Controlador………………………………………......………………..Pág. 21
Índice de Tablas.
Tabla 1. Principales países exportadores de bicicletas…………………………....Pág. 10
Tabla 2. Comparativa de modelos de bicicletas eléctricas en el mercado………….Pág. 11
Tabla 3. Comparativa de kits con autonomía y carga…………………………..…Pág. 16
Tabla 4. Comparativa de precios con kits………………….………………….… Pág. 18
Planteamiento del problema…..……………………………………………………Pág. 4
Justificación. 
Objetivo general. 
Objetivos específicos.
Antecedentes. ………………………………………………………………………Pág. 5
Patentes………………………………………………………………………...……Pág.6 
Normas. ………………………………………………………………………….... Pág. 8
Estudios de factibilidad técnica y económica. ………………………..……...…...Pág. 11
Capitulo I. Diseño Mecánico. …………………………………….……………....Pág. 13
Capitulo II Diseño eléctrico. …………………………………………......……….Pág. 18
Bibliografía. …………………………………………………………………...… Pág. 20
I
4
Planteamiento del problema
Falta de actividad física, tráfico y contaminación en ciudades.
Justificación
Realizando este proyecto, se estima que por cada 800 Kilómetros en una bicicleta en lugar de un coche, se evitaría contaminación del tipo;
· 1.55   Kg de Hidrocarburos.
· 11,46 Kg de Monóxido de Carbono.
· 0,77   Kg de Óxido de Nitrógeno.
Objetivo General
Rediseño de un modelo de bicicleta eléctrica y que sea económico para el consumidor.
Objetivos Específicos
· Rediseñar a partir de un modelo.
· Agregar sensores.
· Automatizar.
Figura 1.
Página 18
Antecedentes
Aunque parezcan un invento moderno, las bicicletas eléctricas nacieron casi al mismo tiempo que las bicicletas tradicionales. En la década de 1890 se otorgaron varias patentes para motores de bicicletas eléctricas.
En 1895 a Ogden Bolton, se le otorgó en Estados Unidos la patente para una bicicleta de baterías con 6 polos de cepillo, colector de corriente continua y con un motor de cubo montado sobre la rueda trasera de la bicicleta.
En 1897 Oseas W. Libbey en Boston, inventó una bicicleta eléctrica que se impulsaba con un motor eléctrico doble. El motor se montó en el centro del plato del eje. Ese mismo diseño fue luego reutilizado por la marca Giant Lafree e-bikes en los años noventa.
Pero fue en el siglo XX que las bicicletas eléctricas comenzaron a tener un rol más protagónico, por ser  una opción económica y sencilla a los problemas de transporte en las grandes metrópolis y comunidades rurales.
En la década de 1940, las bicicletas eléctricas registraron un incremento dado a la escasez de vehículos motorizados de gran tamaño, esto debido a los esfuerzos bélicos de la segunda guerra mundial. Se otorgaron varias patentes para prototipos que fueron eclipsados por el desarrollo e inversión en la industria de las motocicletas, que tuvieron un rol más importante durante la guerra.
En la Europa y Asia de postguerra, debido a la prohibición a países como Italia y Japón de construir y rearmar su industria aeronáutica, muchos ingenieros que se dedicaban al desarrollo de motores para aviones, vieron un nicho y se dedicaron a la industria de las motocicletas, y un poco en las sombras al desarrollo también de las bicicletas eléctricas, que un poco olvidadas se beneficiaron también con los nuevas tecnologías e innovación en esa industria.
Figura 2.
Patentes
Patente encontrada en el sitio oficial IMPI.
Figura 3. Patente 1
Diseño francés registrado en 1919 por MAIGNIEN DE MERSUAY (O. L. M.)
Figura 4. Patente 2.
Diseño comunitario registrado en 2013 por la compañía alemana E BIKE Advanced Technologies GmbH. Se trata de una estilizada bicicleta eléctrica de número de registro: 2286716-0028 
Figura 5. Patente 3.
La patente de invención española solicitada en 2005 por el inventor Brucart Puig, Ramón. En la publicación anexa puede verse que se trata de una bicicleta plegable de número ES-2264884. 
Figura 6. Patente 4.
Referencia 6.
Normatividad
Conductor de un vehículo de tracción humana a través de pedales; se considera también ciclista a aquellos que conducen bicicletas asistidas por motores eléctricos, siempre y cuando ésta desarrolle velocidades de hasta 25 kilómetros por hora; los menores de doce años a bordo de un vehículo no motorizado serán considerados peatones
Debe conocer y cumplir con la normativa local sobre circulación en bicicleta.
La mayoría de los estados y municipios disponen de legislaciones específicas para los ciclistas, para consultar la normativa, acuda a algún club ciclista o en las oficinas de tránsito en su estado o municipio. 
Las normas más importantes son las siguientes:
I. Donde existan vías ciclistas exclusivas, circular preferentemente por éstas, excepto cuando:
a) Estas vías estén impedidas forma temporal para el libre tránsito a consecuencia de obras públicas o privadas.
b) Circulen vehículos no motorizados que tengan un ancho mayor a 0.75 m que impida la libre circulación de los demás ciclistas sobre la vía;
c) Se tenga que adelantar a otro usuario
d) Vayan a girar hacia el lado contrario en el que se encuentre la vía ciclista o estén próximos a entrar a un predio. En estos casos, los conductores de vehículos no motorizados tienen derecho a ocupar un carril completo.
II. Indicar la dirección de su giro o cambio de carril, mediante señales con el brazo y mano;
Los conductores de vehículos no motorizados tienen preferencia de paso sobre los vehículos motorizados:
I. En las intersecciones controladas por semáforos, cuando:
a) La luz verde les otorgue el paso;
b) No alcancen a cruzar la vía; y
c) En contraflujo vayan a realizar un giro para incorporarse a una vía transversal.
II. En las intersecciones que no cuenten con semáforos, los conductores de vehículos motorizados deberán frenar y cederles el paso; y 
III. Cuando circulen por una vía ciclista exclusiva y los vehículos motorizados vayan a realizar un giro para entrar o salir de un predio.
Los ciclistas que vayan a cruzar una vía secundaria en cuya intersección la luz del semáforo se encuentre en rojo o en la que exista un señalamiento restrictivo de “Alto” o “Ceda el paso”, podrán seguir de frente siempre y cuando disminuyan su velocidad, volteen a ambos lados y se aseguren que no existen peatones o vehículos aproximándose a la intersección por la vía transversal. En caso de que existan peatones o vehículos aproximándose, o no existan las condiciones de visibilidad que les permita cerciorarse de que es seguro continuar su camino, los ciclistas deberán hacer alto total, dar el paso o verificar que no se aproximaningún otro usuario de la vía y seguir de frente con la debida precaución.
Al circular en una vía que no cuente con infraestructura ciclista, los conductores de vehículos no motorizados tienen derecho ocupar el carril completo. También tienen prioridad
I. En calles y carriles compartidos ciclistas; y
II. En comitivas organizadas, dependiendo del número de participantes podrán utilizar parte o la totalidad de la vía. Los vehículos no motorizados preferentemente deben circular por el carril derecho, excepto:
 I. En calles compartidas ciclistas en las que pueden utilizar cualquier carril;
 II. Se vaya a realizar un giro a la izquierda, en cuyo caso deberá llegar a la esquina próxima, posarse en el área de espera ciclista, en donde permanecerá hasta que señalamientos viales permitan su incorporación a la izquierda; y
 III. Si se requiere rebasar a otros vehículos más lentos o existan vehículos parados o estacionados, obstáculos u obras que impiden la utilización del carril. Se prohíbe a los conductores de vehículos no motorizados:
I. Circular sobre las aceras y áreas reservadas al uso exclusivo de peatones, con excepción de los niños menores de doce años y los elementos de seguridad pública
II. Circular por los carriles exclusivos para el transporte público de pasajeros; excepto cuando estos cuenten con el señalamiento horizontal y vertical que así lo indique;
 III. Detenerse sobre las áreas reservadas para el tránsito de peatones;
IV. Circular por los carriles centrales o interiores de las vías de acceso controlado, excepto cuando sea autorizado por la Secretaría y Seguridad Pública, quienes determinarán las condiciones y los horarios permitidos;
V. Circular entre carriles, salvo cuando el ciclista se encuentre con tránsito detenido y busque colocarse en un área de espera ciclista o en un lugar visible para reiniciar la marcha. Los conductores de vehículos no motorizados que no cumplan con las obligaciones de este reglamento, serán amonestados verbalmente por los agentes y orientados a conducirse de conformidad.
Figura 7. Prioridad de Circulación.
 MX-D-198/1 Autotransporte-Bicicletas-Terminología.
NMX-D-198/2 Autotransporte-Bicicletas-Especificaciones.
Las Solicitantes manifestaron que los insumos utilizados en la fabricación de bicicletas son tubos de diferentes tipos de materiales y diámetros (acero de alta resistencia, acero aleado y aluminio, entre otros), pintura, llantas y cámaras en diferentes diámetros, rines, rayos, asientos, sistemas de frenado y mazas, y cadenas y pedales.
12. Explicaron que la fabricación de bicicletas tiene 4 etapas distintas:
a.     formación de cuadro y tijera: consiste en el corte, doblado y soldado del tubo de diversos materiales (acero o aluminio, entre otros), conforme al tipo de cuadro y tijera a producir;
b.    limpieza y aplicación de pintura: limpieza y lavado de los cuadros y tijeras para ser galvanizados o pintados, posteriormente se envían a la línea de ensamble de la bicicleta;
c.     armado de rines: se realiza el enrayado de los rines y la colocación de niples, cámaras y llantas; simultáneamente a este proceso, se colocan en el cuadro la taza de centro, eje y la multiplicación. En otras áreas se colocan los conos y la taza de dirección para la tijera; y
d.    ensamble de bicicleta: todas las partes obtenidas en las etapas anteriores son enviadas a la línea de ensamble para el armado final de la bicicleta. En esta etapa se incorporan todas las demás partes de la bicicleta: cambios, pedales, cadena, asientos, frenos, entre otros.
NMX-D-198/3 Autotransporte-Bicicletas-Métodos de prueba.
NOM-050-SCFI-1994 Información comercial-disposiciones generales para productos.
	Exportadores
	2013
	
	Cantidad
exportada
	Unidad
	China
	57,402,855
	Unidad
	Taipei Chino
	4,041,997
	Unidad
	Japón
	3,142,282
	Unidad
Referencia 5Tabla 1. Principales países exportadores de bicicletas.
Factibilidad técnica y Económica.
En cuanto a la realización de este proyecto, está centrado en la economía del posible consumidor, además de ser un prototipo basado en una bicicleta común.
El gran gasto será a partir tanto del motor como de la batería, sin embargo se tendrá que adaptar el cuadro para hacer posible esta instalación.
La inversión se espera no sea mayor a 9,000 MXN, comprándose así con compañías mexicanas como electrobike, con sus modelos a precio de a partir de 18,100 MXN hasta 37,400 MXN.
Por otro lado está la compañía Eco Mobile, tienen diversos modelos, desde montaña, ciudad, hasta plegables, sin embargo el precio es el punto importante.
	Modelo
	Precio
	Fold , básico
	6,600 MXN
	Ross
	37,000 MXN
	Steel
	25,600 MXN
	Dash
	25,100 MXN 
	Magnos
	36,100 MXN
	X blade
	A cotizar (Depende del terreno , carga y peso del conductor)
	Power Plus
	A cotizar (Depende del terreno , carga y peso del conductor)
	City Mover
	A cotizar (Depende del terreno , carga y peso del conductor)
	Y spark
	A cotizar (Depende del terreno , carga y peso del conductor)
Tabla 2. Comparativa de modelos de bicicletas eléctricas en el mercado.
El proyecto está pensado para que cualquier persona con una bicicleta ya en casa pueda convertirla en una eléctrica sin tener que comprar una nueva, sin planes forzosos ni mensualidades. A continuación se presentan varios modelos de Electrobike y Eco mobile;
Figura 8.
Referencia 1, 2 y 3.
Figura 9. Bosquejo realizado en AutoCAD.
Figura 10.
Capítulo I. Diseño Mecánico.
Introducción.
El diseño mecánico en la rama de la ingeniería; es la acción de dar figura, tamaños, elementos, tecnología de producción y colocar en marcha una máquina para que desempeñe determinadas funciones o requerimientos.
A continuación se hace una lista general de los elementos que involucran el rediseño:
Acelerador.
El modo acelerador propone una forma de funcionamiento similar a la de los ciclomotores o scooters. Cuando se activa el acelerador, el motor proporciona energía y te propulsa hacia adelante. 
Un acelerador te permite pedalear o simplemente reclinarte y disfrutar de una marcha sin esfuerzo. La mayoría de los aceleradores pueden ser ajustados fácilmente como el volumen de la radio, entre un nivel máximo y mínimo. 
Acelerador de puño.
El último tipo de acelerador que podemos encontrar en una bicicleta eléctrica es el Acelerador de botón. Este acelerador en particular funciona como un interruptor de encendido/apagado; no hay forma de ajustar entre una potencia mayor y menor. Podemos encontrarlo en algunos kits eléctricos como el kit gruber assist.
La mayoría de bicicletas eléctricas (por no decir el 100%) pueden funcionar con cualquier tipo de acelerador, si no estás cómodo con el que usas puedes considerar cambiarlo en cualquier momento.
Asistencia al pedaleo.
La asistencia al pedaleo, también conocida como pedelec, proporciona energía solamente mientras pedaleas. Si estás acostumbrado a montar en bicicleta tradicional, el sistema de asistencia al pedaleo proporciona una sensación más intuitiva que el modo acelerador.
La asistencia al pedaleo también es muy buena ya que te permite centrarte solamente en pedalear y no en tener que mantener el acelerador en una determinada posición. Cuando circulamos a tope de velocidad, en una recta larga por ejemplo, seleccionando el nivel más alto de asistencia y moviendo de forma testimonial los pedales, simplemente para que el sensor de asistencia al pedaleo detecte nuestras pedaladas, circularemos a la máxima velocidad sin esfuerzo, en cambio los aceleradores resultan cansados después de llevarlos accionado durante mucho tiempo.
Combinación de Acelerador y Asistencia al pedaleo.
Algunas bicicletas eléctricas vienen equipadas con ambos modos de asistencia. En otras puedes usar el modo de asistencia al pedaleo y obtener un impulso adicional girando el acelerador. Hay otras bicicletas que tienen ambos modos, pero no pueden ser usados al mismo tiempo.
Cálculo de reacciones.
Peso que puede soportar: 100 KG, sin tomar en cuenta motor ni batería.
1 Kg = 9.81 N, por lo tanto; 
981N
Figura 11.
0.675 m
0.96 mA=576 N				 B=405 N
Punto de referencia en A:
(0.675 m)(981 N)-B(0.675 m + 0.96 m)=0
662.175 Nm =B(1.635m) ; B = = 405 N.
Para el punto A: 981 N- 405 N = 576N
Para elegir el tipo de motor nos basamos primeramente en la batería estándar, la cual es la más usada en el mercado. 
Figura 12.
Batería de Ion-Litio 36 V ,11 Ah , 350 W. Peso de 2.6 kg.
De acuerdo a la batería, y dado los precios en el mercado la propuesta es comprar un kit completo basado en la siguiente tabla;
Tabla 3.
Referencia 7.
DGW07C-MD Motor Eléctrico sin escobillas, 36V, 500W. Peso 3.4 kg
Eficiencia: 82% IP54 , Tamaño Horquilla 100 mm. , Par máximo: 45 Nm.
Figura 13.
De acuerdo a la tabla y al kit, el más adecuado sería con un motor de 500 W, ya que puede tener una carga de hasta 150 Kg.
Cálculo de reacciones.
Tomando en cuenta con el motor y batería instaladas.
1 Kg = 9.81 N, por lo tanto; 1039.86N
0.675 m
Figura 14.
0.96 m
 A= 610.56N				 B= 429.3N
Punto de referencia en A: (0.675 m)(1039.86 N)-B(0.675 m + 0.96 m)=0
701.9055 Nm =B(1.635m) ; B = = 429.3 N.
Para el punto A: 1039.86 N- 429.3 N = 610.56N, por lo tanto la concentración de fuerza estará en la parte trasera.
Para la potencia;
Potencia= (Amperaje) (Voltaje)
 
I=13.8888889A
1HP = 746W
HP= =0.6702412869 HPFigura 15.
T=Potencia/Velocidad Angular.
 
Velocidad angular = 11.11 Rad/S
Tabla 4.
PAS. Asistente de Pedaleo.
 Material: Acero.
Tipo: Sensor Hall.
Cantidad del imán: 5 PC.
Color: Mostrado como cuadro.
Tamaño: Diámetro. 6,5 cm.
Adecuado para: la mayoría de las bicicletas eléctricas.
Peso aproximado. 50 gramos.
Figura 16.
Acelerador y frenos Switch.
 Agarre de mano Longitud: 11 cm.
Longitud del cable del interruptor: 64 cm.
Longitud de la palanca de freno: 16 cm.
 Agujero de montaje Diámetro: 22 mm.
Figura 17.
Figura 18.
Por lo tanto, el kit apropiado tanto para el peso y precio serie de 500W con batería de 36 V.
Figura 19.
Referencia 7.
Capitulo II. Diseño Eléctrico
Introducción.
El motor eléctrico es un artefacto que transforma la energía eléctrica en energía mecánica, de manera que puede impulsar el funcionamiento de una máquina. Esto ocurre por acción de los campos magnéticos que se generan gracias a las bobinas, (aquellos pequeños cilindro con hilo metálico conductor aislado). Los motores eléctricos son muy comunes, se pueden encontrar en trenes, máquinas de procesos industriales y en los relojes eléctricos; algunos de uso general tienen proporciones estandarizadas, lo que ayuda a mejorar la selección de acuerdo a la potencia que se desea alcanzar para el dispositivo en el que se incluirá.
Las fuentes que alimentan al motor eléctrico pueden ser de corriente alterna (AC) o corriente continua (CC). Cuando se trata de la corriente alterna, las redes eléctricas o las plantas eléctricas son el impulso principal del motor; existen varios tipos de este motor, llamados: motor asíncrono y síncrono. A diferencia de éste, cuando la corriente continua es el encargado de sustentar el funcionamiento, las baterías, los rectificadores, los paneles solares y los dinamos son los artefactos que colaboran en el proceso; estos se clasifican en: motor serie, motor compound, motor shunt y motor eléctrico sin escobillas. El motor universal, por su parte, funciona con ambos tipos de corriente.
El motor eléctrico tiene muchas ventajas, entre ellas se encuentra su tamaño y peso reducido, el hecho de que puede ser construido para casi cualquier tipo de máquina y una potencia bastante alta, su rendimiento está la mayor parte del tiempo en un 75%, no emite ningún tipo de sustancia o gas contaminante y no necesitan una ventilación externa.
Un circuito eléctrico consta de cinco tipos de elementos fundamentales: elementos generadores, elementos conductores, elementos receptores, elementos de maniobra y control e por último elementos de protección. Para que exista un circuito tiene que haber, por lo menos, un generador, un medio conductor y un receptor.
Los componentes electrónicos son dispositivos que forman parte de un circuito electrónico, puesto que existe gran variedad se suelen encapsular en diferentes tipos de materiales como por ejemplo cerámica, metálico o plástico. 
Referencia 4.
Lista de los más utilizados:
· Resistencia
· Capacitor
· Bobina
· Diodo led
· Diodo
· Transistor
· Relevador
· PotenciómetroFigura 20. Batería Litio-ION 36V
El controlador de velocidad de una bicicleta eléctrica es un circuito electrónico que no sólo controla la velocidad de un motor eléctrico, también sirve como un freno dinámico.
 El controlador de velocidad de bicicleta eléctrica envía señales al motor en varios voltajes. Estas señales detectan la dirección de un rotor en relación a la bobina de arranque.Figura 21. Controlador
Calibre de conductores.
De acuerdo a la norma NOM-001-SEDE-2005, la transmisión de energía eléctrica en forma segura y eficiente depende de una correcta selección del calibre de conductor. 
La capacidad de conducción de corriente de los conductores eléctricos depende de muchos factores, entre los cuales podemos mencionar los siguientes: tipo de instalación (Conduit, charola, ducto subterráneo, etc.), del arreglo de los conductores (plano, trébol, etc.), de la temperatura de operación de los conductores seleccionados, de la longitud del circuito, etc.
Donde: 
CP (HP)= Caballos de fuerza o potencia del motor.
kW = Potencia en kilowatt.
V = Tensión nominal del sistema en Volts.
= Eficiencia del motor (Valor típico 0,8).
fp = Factor de potencia (Valor típico 0,9).
NOTA: Para conductores que alimenten un solo motor, la corriente nominal a plana carga se multiplicará por 1,25 (artículo 430-22). En el caso de varios motores, a la suma de la corriente a plena carga de los motores se le sumará el 25% de la corriente del motor más grande (artículo 430-24).
De acuerdo a las formulas, se hará los cálculos por dos caminos;
1) ; =17.361111
2) ; =13.8888 , (13.888)(1.25)=17.361111
NOTA 2: De acuerdo al artículo 110-14 de la NOM-001-SEDE-2005, si la corriente en el circuito es mayor a 100 A, se elige la capacidad de corriente a una temperatura de operación del conductor de 75°C. Si la corriente del circuito es menor de 100 A, se elige la capacidad de corriente a una temperatura de operación del conductor de 60°C.
Para este tipo de proyecto, y con la corriente nominal, se necesita un cable de calibre 14, con una área transversal de 2.08 a 60 °C.
Selección de canalizadores.
Selección de protecciones.
Referencias
Alibaba. (2019). Alibaba. Obtenido de https://spanish.alibaba.com/g/300kw-electrical-motor.html
Bikelec. (20 de Enero de 2015). Bikelec. Obtenido de https://www.bikelec.es/blog/acelerador-o-asistencia-al-pedaleo/
Electrobike. (s.f.). Electrobike. Obtenido de http://electrobike.com.mx/mx/
federación, D. o. (s.f.). SEGOB. Obtenido de http://dof.gob.mx/index.php
IMPI.gob.mx. (s.f.). Obtenido de https://siga.impi.gob.mx/newSIGA/content/common/busquedaEspecializada.jsf
Latincasa. (s.f.). Latincasa. Obtenido de www.latincasa.com.mx
MercadoLibre. (s.f.). MercadoLibre. Obtenido de https://listado.mercadolibre.com.mx/acelerador-y-controlador-bicicleta-electrica
IMPI.gob.mx. (s.f.). Obtenido de https://siga.impi.gob.mx/newSIGA/content/common/busquedaEspecializada.jsf
Controlador
Batería
Display Panel
Motor
Acelerador y frenos (switches)
Sensor de pedaleo