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An�lisis y dise�o de un monociclo el�ctrico que ayude a la movilidad sostenible

 

Analysis and design of an electric unicycle that helps sustainable mobility

 

 

An�lise e projeto de um monociclo el�trico que auxilia na mobilidade sustent�vel

 

 

 

Rodrigo Rigoberto Moreno-Pallares ^I

rodrigo.moreno@espoch.edu.ec

https://orcid.org/0000-0003-1877-6942

 

 

 

Correspondencia: rodrigo.moreno@espoch.edu.ec

 

 

Ciencias t�cnicas y aplicadas ���

Art�culo de investigaci�n

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*Recibido: 15 de agosto de 2020 *Aceptado: 10 de septiembre 2020 * Publicado: 01 de octubre de 2020

 

 

 

       I.            Mag�ster en Ingenier�a Industrial y Productividad Msc, Ingeniero Industrial, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

Resumen

El presente estudio tiene como objeto investigar y dise�ar un monociclo el�ctrico como movilidad sostenible en la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo ya que las personas transitan por los alrededores del campus con el fin de realizar una serie de actividades de su inter�s como trabajar, estudiar, hacer compras y visitar amigos. Este traslado puede llevarse a cabo ya sea caminando o utilizando veh�culos motorizados (autobuses, autom�viles, y motos). Dicha circulaci�n refleja en el consumo de espacio, tiempo, energ�a, y recursos financieros, trayendo as� consecuencias negativas como accidentes, contaminaci�n y congesti�n vehicular, los mismos que son motivo de preocupaci�n, por lo que la industria automotriz ha impulsado el desarrollo de nuevos dise�os de prototipos a base de energ�a limpia como transporte alternativo. Como soluci�n a la problem�tica de congesti�n vehicular y contaminaci�n ambiental se plantea el uso del monociclo el�ctrico como alternativa de transporte en la polit�cnica, explorar el campus con la finalidad de recolectar informaci�n de tipo cuantitativo, teniendo como resultados, un mejor desplazamiento, tiempos de traslado origen y destino, disminuci�n del �ndice de accidentabilidad en el tr�nsito, contando con un servicio de transporte urbano personalizado. El prototipo consiste en una estructura de aluminio con un bajo centro de gravedad para su estabilidad, cuenta con un motor Brushless trif�sico sincr�nico, con rotor de imanes permanentes, dos plataformas laterales donde se colocan los pies del usuario para poder trasladarse, su asiento ergon�mico, su bater�a y el sistema girosc�pico que le permite auto-equilibrarse, lo que significa que se utiliza el movimiento natural del cuerpo para moverse. Esta nueva alternativa de movilizaci�n nos ayudar� a combatir la contaminaci�n ambiental, la contaminaci�n ac�stica y en especial a no causar congesti�n vehicular, reduciendo as� el impacto que tiene en la naturaleza, dando un aporte innovador y tecnol�gico para la sociedad.

Palabras claves: Movilidad; Contaminaci�n Ambiental; Seguridad; Monociclo El�ctrico.

 

Abstract

The present research has like objective to investigate and design an electric unicycle, as sustainable mobility at the Superior Polytechnic School of Chimborazo, due to people are moved around the campus in order to do a series of activities of their interest such as working, studying, going shopping and visiting friends. This moving can be done by walking or using a motor vehicle (busses, automobiles, and motorcycles. This move is reflected by the consumption of space, time, energy and financial resources, bringing in that way, negative consequences such as accidents, pollution, and vehicular traffic, they are the reason of worrying, therefore the automotive industry has motivated the development of new prototype design based on clean energy like alternative transportation. As a solution of this vehicular traffic problem and environmental contamination it is suggested the usage of an electric unicycle like an alternative transportation at the polytechnic school, exploring the campus in order to gather quantitative type information, taking into account a better move, destination-origin time, decreasing the accident rate in the traffic, having a customized service of urban transportation. The prototype consists on an aluminium structure with a low gravity center for its balance, it has a three-phase synchronous Brushless motor with permanent magnet rotor, two lateral platforms where the user's feet are put on to move, its ergonomic seat, its battery and the gyroscopicsystem that permits self-balancing, what means the natural body�s movement is used to move. This new alternative mobility will help us to fight the environmental, acoustic contamination and in especial to not cause vehicular traffic congestion, reducing in this way the impact that it has in the nature, giving a novel and technological contribution for the society.

Key words: Moving; Environmental Contamination; Security; Electric Unicycle.

 

Resumo

O objetivo deste estudo � investigar e projetar um monociclo el�trico como mobilidade sustent�vel na Escola Superior Polit�cnica de Chimborazo, uma vez que as pessoas viajam pelo campus para realizar uma s�rie de atividades de interesse como trabalhar, estudar, fazer fazer compras e visitar amigos. Esse traslado pode ser feito a p� ou em ve�culos motorizados (�nibus, autom�veis e motocicletas). A referida circula��o reflete no consumo de espa�o, tempo, energia e recursos financeiros, trazendo conseq��ncias negativas como acidentes, polui��o e congestionamento de tr�fego, que s�o preocupantes, para os quais a ind�stria automotiva tem promovido o desenvolvimento de novos projetos. de prot�tipos baseados em energia limpa como transporte alternativo. Como solu��o para o problema de congestionamento veicular e polui��o ambiental, prop�e-se o uso do monociclo el�trico como alternativa de transporte na polit�cnica, explorando o campus de forma a coletar informa��es quantitativas, tendo como resultados, um melhor deslocamento, tempos de deslocamento origem e destino, diminui��o da sinistralidade no tr�nsito, com servi�o de transporte urbano personalizado. O prot�tipo consiste em uma estrutura de alum�nio com baixo centro de gravidade para estabilidade, possui motor sem escova trif�sico s�ncrono, com rotor de �m� permanente, duas plataformas laterais onde os p�s do usu�rio s�o colocados para poder se mover, seu assento ergon�mico, sua bateria e sistema girosc�pico que permite o auto-equil�brio, o que significa que o movimento natural do corpo � usado para se mover. Esta nova alternativa de mobiliza��o vai ajudar-nos a combater a polui��o ambiental, a polui��o sonora e, principalmente, a n�o causar congestionamentos de tr�nsito, reduzindo assim o impacto que tem na natureza, dando um contributo inovador e tecnol�gico para a sociedade.

Palavras-chave: Mobilidade; Polui��o ambiental; Seguran�a; Monociclo El�trico.

 

Introducci�n

Cada d�a toma m�s importancia el desarrollo de la movilidad el�ctrica, debido a la necesidad de disponer de un sistema que emplee energ�as sustentables, permiti�ndonos mejorar el desplazamiento en relaci�n a costos de transportaci�n, reducir tiempo de traslado en origen y destino, disminuir el �ndice de accidentes de tr�nsito, contar con un servicio de transporte urbano personal adecuado, minimizar el tr�fico vehicular y la contaminaci�n ambiental con la reducci�n del uso del veh�culo particular y comercial, brindar una mejor imagen urban�stica, tomando en consideraci�n aspectos importantes como el nivel de integridad, seguridad y la accesibilidad a los usuarios viales. En la actualidad, la necesidad de mejorar los sistemas de movilidad mediante la utilizaci�n de nuevos modos de transporte impulsados por energ�as alternativas, como son los monociclos el�ctricos, requiere de un proceso de investigaci�n largo y exhaustivo, ya que la disponibilidad de informaci�n sobre el dise�o y las caracter�sticas de los sistemas de propulsi�n el�ctrica son muy limitadas. Esta limitante se presenta debido a que su desarrollo es realizado por empresas privadas, a trav�s de m�todos de innovaci�n cerrada y es dif�cil generar un proceso de vigilancia tecnol�gica.

 

Materiales y m�todos

Describa la metodolog�a de la investigaci�n de manera que otros investigadores la puedan replicar o que los lectores puedan conocer los l�mites de interpretaci�n de los datos; informe la localizaci�n espacial del experimento si aplica (coordenadas geogr�ficas, caracter�sticas geogr�ficas).

La utilizaci�n incorrecta o inadecuada de los m�todos estad�sticos es inaceptable. No describa los tratamientos estad�sticos corrientes (comparaci�n de medias, an�lisis de varianza, etc.), incluya la referencia pertinente. Describa los modelos estad�sticos y dise�o experimental (clases, bloques y/o unidades experimentales). Con elsoftware estad�stico mencione las fuentes de variaci�n. Inductivo: se puede evidenciar en el marco te�rico y los objetivos. Se aplic� el m�todo inductivo al tomar las necedades y problemas de la muestra, y generalizarlos al total de la poblaci�n. Anal�tico: lo podemos notar en planteamiento del problema, objetivos, marco te�rico y justificaci�n. Como t�cnicas de investigaci�n para el desarrollo del proyecto se utilizaron principalmente la aplicaci�n de encuetas y una observaci�n directa, mismas que fueron cruciales al momento de recolectar la informaci�n necesaria para identificar la realidad actual en cuanto a la facilidad que se tiene para movilizarse en trasporte alternativo, adem�s de percibir la aceptaci�n que tendr�a el monociclo el�ctrico cumpliendo el papel de una alternativa de transporte como respuesta a la congesti�n vehicular en los puntos principales de la ESPOCH. Las 375 encuestas se realizaron en diferentes puntos dentro del campus a personas al azar con la finalidad de obtener una muestra m�s heterog�nea que nos garantice una mayor variabilidad entre los encuestados, para obtener datos que nos suministren informaci�n, para de esta manera comprobar nuestra hip�tesis. La aplicaci�n de la observaci�n directa permiti� evidenciar la realidad de la movilidad, las necesidades presentes para el desarrollo de la ESPOCH, como son la falta de se�alizaci�n, una cultura adecuada de movilidad y congesti�n vehicular.

 

Resultados

Es de suma importancia para el presente trabajo conocer la afluencia de veh�culos para cada entrada existente que permite en ingreso vehicular en la ESPOCH con la finalidad de constatar la existencia de flujo masivo y por ende la congesti�n vehicular.

 

Tabla 1 Flujo Vehicular

INGRESO N. 1 SUR			INGRESO N. 2 NORTE			ESTRATOS	N.
TIPO DE VEHICULO	N.		TIPO DE VEHICULO N.	N.		Ingreso N.1 SUR	4491
TAXIS	1735		TAXIS	1179		Ingreso N.2 NORTE	3058
PARTICULARES	2552		PARTICULARES	1825		TOTAL	7549
MOTOS	96		MOTOS	49
BUSES	20		BUSES	5
VOLQUETES, FURGONES	28		VOLQUETES, FURGONES	0
TOTAL	4431		TOTAL	3058

Fuente: Plan de Movilidad Sostenible ESPOCH

 

Se detallan los tipos de arribo motorizados y su partici�n modal. Figura 1 Acceso m�s utilizado por la poblaci�n de la ESPOCH.

Figura 1 Acceso m�s utilizado por la poblaci�n de la ESPOCH

 

Se realiz� un sondeo en las entradas principales de la instituci�n por lo que se tom� el tiempo en segundos a veh�culos motorizados; para saber su tiempo de desplazamiento en 100m.

 

Tabla 2: Tiempo de veh�culos motorizados

 

 

La presente investigaci�n es de tipo cuantitativo, por lo que se aplica la prueba de normalidad en primera instancia, y as� determinar si se requiere m�todos param�tricos o no param�tricos para la comparaci�n de los tiempos. Prueba de Normalidad de Kolmogorov-Smirnov H0: Los tiempos siguen una distribuci�n normal Hi: Los tiempos no siguen una distribuci�n normal Nivel de significancia =5% = 0,05

 

 

C�lculos estad�sticos:

 

Tabla 3: Pruebas de normalidad

Correcci�n de significaci�n de Lilliefors

 

Figura 2: Promedio de tiempos

 

Mediante el an�lisis e interpretaci�n de las encuestas realizadas dentro del campus polit�cnico sobre el monociclo el�ctrico como transporte alternativo de movilidad, adem�s de las mediciones realizadas en campo y la corroboraci�n de la existencia del problema de congesti�n vehicular en las horas picos en las tres entradas principales de la ESPOCH apoyados en la tesis �Propuesta de un Plan de Movilidad Sostenible para la Escuela Superior Polit�cnica De Chimborazo�, con todo esta informaci�n se puede llegar a concluir que la hip�tesis donde se indica que el monociclo el�ctrico ayudar� a mitigar la problem�tica de tr�fico vehicular con la ayuda de una ciclov�a adecuada para su circulaci�n est� respaldada, tambi�n se evidencia que tiene una aceptaci�n por parte de la comunidad polit�cnica y que al implementarse mejorar� la movilidad dando un aporte al medio ambiente ya que se utiliza un medio de transporte limpio.

 

Figura 3: Motor el�ctrico Brushless trif�sico sincr�nico, con rotor de imanes permanentes

 

�El Motor hace parte integral de la rueda ya que comparten el eje de rotaci�n, por lo que el empuje del motor se aplica directamente a la rueda sin pasar por reductores mec�nicos, cadenas o transmisiones; este sistema de tracci�n presenta una ventaja para la eficiencia, pero crea esfuerzos adicionales en el punto espec�fico de sujeci�n. Esta simple soluci�n previene la fatiga del material y brinda una seguridad estructural a nuestro monociclo el�ctrico. Luego de definir los requerimientos, se dise�� la estructura de una forma que tambi�n fuese est�ticamente agradable, se decidi� dar al monociclo el�ctrico, un estilo futurista El dise�o fue realizado mediante la ayuda del software de dibujo SolidWorks. Luego de la especificaci�n y selecci�n de los componentes m�s relevantes para el desarrollo del monociclo el�ctrico, se inici� el proceso de montaje en el cual incorporan componentes de uso com�n, necesarios para conservar el principio b�sico de este medio de transporte. Partiendo de esta primicia se incorporan fibra de vidrio, un asiento simple pero ergon�mico con su estructura de aluminio reforzado, agregado tambi�n su rueda con motor el�ctrico Brushless, manubrio y sus focos de seguridad vial.

 

Figura 6: Dise�o del monociclo el�ctrico

Los sistemas de locomoci�n obedecen a los principios de la mec�nica cl�sica, siendo fundamental la segunda ley de Newton en cuestiones como la aceleraci�n y el desplazamiento del veh�culo. Se realiz� un c�lculo sobre un diagrama de cuerpo libre para seleccionar un motor acorde con las necesidades

Seg�n las gr�ficas del fabricante el motor "Brushless" de 500 W con el controlador del sistema que tiene los sensores giroscopios posee un torque m�ximo de 13,38 N/m, sin embargo, para el caso de escalar una pendiente, la velocidad es t�picamente de entre 15 y 20 km/h y el torque de salida del motor para este punto de operaci�n es de entre 3 y 4,5 N/m, destac�ndose que en este punto de operaci�n se presenta la mayor eficiencia energ�tica; alrededor del 82 % (Golden Motor Technology Co. Ltd., 2012).

 

Figura 7. Diagrama de cuerpo libre del monociclo el�ctrico

 

�Para los datos anteriores, promediando un peso combinado de veh�culo y pasajero de 90kg, un radio de rueda equivale a 38cm y una fuerza de fricci�n aproximada al 10% de la fuerza de impulso producida por el motor, el monociclo puede afrontar pendientes hasta 7,5% sin necesidad de fuerza alguna. Este valor pendiente se escogi� debido a que en la ciudad de Riobamba se presentan pendientes de entre el 6 y el 9%, siendo 7,5% un valor razonable. Adem�s siempre se debe considerar que a diferencia de un autom�vil el�ctrico o una motoneta el�ctrica; el monociclo el�ctrico es un conjunto hombre-m�quina. El motor empleado es del tipo "Brushless" trif�sico sincr�nico, con rotor de imanes permanentes, n�cleo en hierro al silicio y carcasa de aluminio. El empleo de este tipo de motores es t�pico para las aplicaciones de movilidad el�ctrica, pues presentan una buena curva de torque y potencia con un peso reducido; pero su principal ventaja es que no presentan componentes en fricci�n, por lo cual son muy confiables y pr�cticamente no necesitan mantenimiento. Como par�ntesis se agrega que s�lo para el caso de los veh�culos el�ctricos con motores de tama�os considerables ser�a necesario el cambio del refrigerante cada 5 a�os y el de aceite de motor cada 100.000 km, la alta duraci�n del aceite se da debido a que en el motor el�ctrico, el aceite no pierde viscosidad por el efecto del cizallamiento ni tampoco se contamina con residuos de combusti�n. El factor limitante es el envejecimiento por cambios t�rmicos y la oxidaci�n. Debido a que la fuente de alimentaci�n es de corriente continua, se requiere el uso de un control electr�nico de velocidad (ESC por sus siglas en ingles) para el funcionamiento del motor. Ver Fig. 4. El ESC se encarga de detectar la posici�n relativa del rotor con respecto al estator mediante sensores giroscopios y emula ondas similares a senoidales mediante pulsos en su descomposici�n de la serie de Fourier.

 

Figura 8. Diagrama de bloques b�sico para el sistema de motorizaci�n

 

�Las bater�as hacen parte fundamental de un sistema de movilidad el�ctrica independiente. Siendo el factor limitante la capacidad de energ�a acumulada por unidad de masa y de volumen, traduci�ndose esto en una limitaci�n a la autonom�a propia del veh�culo. Se analizaron una a una las diferentes tecnolog�as en bater�as y se lleg� a la conclusi�n que la mejor opci�n era equipar el sistema con bater�as de litio debido a la superior capacidad en densidad espec�fica de energ�a vs masa y volumen. Dentro de las tecnolog�as de Litio se escogi� la tecnolog�a Litio-Fosfato que a pesar de poseer densidades energ�ticas inferiores a las tecnolog�as Litio-Cobalto y Litio-Magnesio e incluso un precio m�s elevado, evidencian una superioridad absoluta en el tema de la seguridad, lo cual es un aspecto fundamental para el dise�o de cualquier medio de transporte, (A123 Systems Inc., 2011), (Sandia National Laboratories, 2006). Adicionalmente la tecnolog�a Litio-Fosfato presenta una vida �til hasta 10 veces superior respecto a la tecnolog�a Plomo �cido (Buchmann, 2013), logrando incluso una expectativa de vida muy superior a la de los dem�s elementos que conforma el monociclo el�ctrico. Luego de seleccionada la tecnolog�a y saber que se encontraba disponible comercialmente, se importaron 13 celdas de tecnolog�a LIFEPO4 por sus siglas en ingl�s de Litio Hierro Fosfato Pol�mero, de la marca A123, con una capacidad nominal de 20 Ah, tensi�n nominal de 3,3 V por celda y una densidad energ�tica de 131 Wh/kg (A123 Systems Inc, 2011). Dentro del dise�o se concibi� un cerramiento en fibra de vidrio de 7 mm de espesor con el objetivo de proporcionar a las bater�as una protecci�n mec�nica y un confinamiento en el caso de un accidente; es importante enfatizar que durante la manipulaci�n de bater�as siempre se debe tener en cuenta que se trata con energ�a acumulada, lo cual es potencialmente peligroso. La bater�a escogida es la de tecnolog�a Litio Hierro Nano Fosfato patentada por la marca A123 System cumple el est�ndar EUCAR 3 (A123 Systems Inc., 2011) para pruebas de penetraci�n, sobre-carga, sobre descarga, cortocircuito externo y aplastamiento, esto quiere decir que la bater�a puede presentar goteo o filtraciones de electrolito, pero no entrara en ignici�n ni tampoco explotar�, �nicamente luego de superar el l�mite t�rmico la bater�a entra en carrera t�rmica y presentar�a emisiones de humo, mas no presenta flameo, ni mucho menos explosi�n, por lo cual cumple con el est�ndar EUCAR 4 (A123 Systems Inc., 2011) para la prueba de estabilidad t�rmica. Esto nos confirma la principal ventaja de este tipo de bater�as en el enfoque a la seguridad. Como resultado tenemos la aprobaci�n de la Hip�tesis Investigativa Hi que plantea que el uso del monociclo el�ctrico como transporte alternativo si disminuye la congesti�n vehicular en las entradas principales de la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo. Al ocupar el monociclo el�ctrico para el desarrollo de sus actividades cotidianas disminuir� la circulaci�n de transportes a base de combustibles f�siles, como consecuencia l�gica, al ser una nueva alternativa de movilidad amigable con el medio ambiente, novedosa y el hecho de no producir residuos contaminantes, hacen que sea factible su aplicaci�n en relaci�n al medio ambiente.

 

Conclusiones

El monociclo el�ctrico es una alternativa de transporte personal, basado en la tecnolog�a de los sistemas de control de auto-balanceo. Con esta se intenta dar soluci�n a los problemas de transporte en distancias cortas a medianas que existen en diferentes partes de alrededor del campus y de la ciudad de Riobamba, como ya se ha visto, el autom�vil est� dejando de ser una buena forma de transportarse a trav�s de la metr�poli en distancias relativamente cortas gracias a la sobrepoblaci�n de este tipo de veh�culos, causando que la gente empiece a utilizar formas alternas de transporte como la motocicleta, la bicicleta, el transporte p�blico, etc. Al concientizar a la ciudadan�a de las ventajas del uso de transportes alternativos, estos tendr�n mayor oportunidad de ventas, adem�s la mayor�a de casa comerciales est�n apostando por emplear energ�as limpias en sus productos, como es el caso de Kia Motors con su Modelo Soul EV, tambi�n se han lanzado al mercado muchas otras alternativas de transporte como bicicletas y monociclos el�ctricos. Luego del proceso de investigaci�n, desarrollo y pruebas en el sistema de movilidad el�ctrica, queda claro la amplia superioridad en eficiencia, respecto a los medios de transporte convencionales.

 

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�2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0) (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).