Reaxion. Año 3, Número 3. Mayo - Agosto, 2016.



Automotriz: Sistema para elevación de neumáticos.
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Por: Ramiro Méndez Gómez, Gabriel Antonio Pérez Castañeda, Miguel Villano Arellano, Luis Antonio Leal López, Emmanuel Ilario López Martínez.




Resumen

Los/las conductores de automóviles cuando requieren cambiar neumáticos deben buscar un lugar adecuado para colocar el gato, asegurarse que quede bien asentado en el piso y que en la parte superior del mismo se apoye el chasis o la suspensión del vehículo. Se da por hecho que a nadie le gusta hacer, lo que tradicionalmente llamamos talachai, pero que en ocasiones no se puede evitar realizarlas, en esos casos, se desearía efectuarlas sin tener que tirarse en el suelo, sin ensuciarse, sin correr riesgos de accidentes, efectuarlas de forma rápida, sencilla y con el menor esfuerzo físico posible, sin importar las condiciones físicas o climatológicas, u hora del día o de la noche.

Es por ello que se plantea el diseño de un sistema que permita elevar los neumáticos de manera fácil, rápida y que dé solución a la problemática planteada con anterioridad.

Palabras clave: Automotriz, sistema, elevación, neumáticos.


Abstract

Car drivers sometimes require changing tires, for which must find a suitable place to put the jack, make sure it is well supported on the floor and on the chassis or any part of the suspension. It is assumed that no one likes to do, what we traditionally call “talacha”, but sometimes cannot avoided perform, in such cases it would be better without having to be throwing himself on the floor, without getting dirty, without risk of accidents, perform them quickly, easily and with minimal physical effort, regardless of physical conditions or weather or time of day or night.

That is why the design of a system that will permit to raise the tires easily, quickly and give solution to the problems raised before.

Keywords: Automotive, system, lift, pneumatic.


Introducción

En ocasiones, las personas que conducen automóvil requieren de ciertos elementos mecánicos además de un esfuerzo físico considerable cuando tienen la necesidad de cambiar un neumático. Si un(a) conductor(a) debe cambiar una llanta, deberá de buscar un lugar adecuado para colocar el gato, asegurarse que quede bien asentado en el piso y que en la parte superior del mismo se apoye el chasis o la suspensión del vehículo.

En este proyecto se presenta el diseño e implementación en un vehículo de un sistema de elevación de neumáticos, que consiste en un sistema hidráulico para elevar los neumáticos de vehículos automotrices, pero al mismo tiempo, se proponen sugerencias para realizarlas cuando existan las condiciones en el cambio de neumáticos en forma semiautomática o lo más automatizada posible con la elevación de las cuatro ruedas, mejorando de esta manera las condiciones de seguridad y el tiempo para realizarlo.


Planteamiento del problema

A través del tiempo, las mujeres han desarrollado diferentes papeles importantes en la sociedad, avanzando cada día en el logro de su autonomía personal y económica, ocupan cada vez más, plazas laborales que antaño les eran prácticamente prohibidas por su género.

Conscientes de los espacios ganados en todos ámbitos: político, social, laboral, cultural, religioso, etc., y a pesar de los muchos obstáculos y barreras impuestas por la sociedad claramente dominada por varones; las mujeres han luchado por la igualdad como seres humanos sin la distinción que las excluye por género. De hecho, la participación de las mujeres en el mercado laboral se ha incrementado, particularmente en los últimos diez años1. En la actualidad no se puede generalizar que las mujeres sean sedentarias, incluso se habla de una nueva generación de mujeres activas y autónomas que se enfrentan a realidades muy diversas según la cultura, zona geográfica o situación social en la que se encuentre. Sin embargo, independientemente de aceptar lo expuesto con anterioridad, no se puede negar que aún existen actividades que les resulta difícil de realizar, por ejemplo cuando se conduce un vehículo y se llega a ponchar o desinflar un neumático se tiene la necesidad de cambiarlo; entonces, la conductora se encuentra en un problema, es común que ella lo cambie, sino que de inmediato pide ayuda a un transeúnte, a otro conductor, le llama a un amigo o solicita auxilio a los servicios de emergencia.

Pero como dice un refrán popular “No existen trabajos para hombres o trabajos para mujeres simplemente existen trabajos” para aquellas personas que puedan realizarlos de la mejor manera.

Es por ello que se piensa en el diseño de un sistema que permita realizar dicho trabajo sin tener que agacharse, ponerse de rodillas o peor aún, tirarse en el piso para colocar el gato en el lugar más adecuado; problemática a la que se enfrentan los conductores de los autos, mujeres y hombres indistintamente, al colocar el gato para proceder al reemplazo de la llanta, sin considerar las inclemencias del tiempo (excesivo calor, intenso frio, lluvia u obscuridad), así como otras condiciones desfavorables (lodos, tuercas muy apretadas, irregularidad en el piso, espacio insuficiente para maniobras, etcétera) que hacen aún más pesado el trabajo.


Justificación

El proyecto de un sistema de elevación de los neumáticos de los automóviles surge por la necesidad de facilitar el trabajo del cambio de llantas, pensado inicialmente para las mujeres, y extendido posteriormente al otro sexo. A nadie le gusta hacer las tradicionales talachas pero en ocasiones es indispensable hacerlas; en esos casos es deseable que la labor resulte lo más sencilla posible, que se realice sin tener que tirarse en el suelo, sin ensuciarse, sin correr riesgos de que el gato resbale del punto de apoyo y ocasione un posible accidente lesionando a la persona que la realiza o provocando daños al vehículo. Lo mejor es que se realice de forma rápida, y sencilla, con el menor esfuerzo físico posible, sin importar las condiciones físicas o climatológicas, o si es de día o noche.


Objetivo general

Diseñar, construir e instalar en un automóvil o vagoneta, un sistema que permita elevar el o los neumáticos de manera fácil, rápida y segura, para solucionar la problemática planteada con anterioridad.


Alcances y limitaciones del problema

La versión de un vehículo se puede determinar mediante su gama (alta, media o baja) ya sea tracción trasera o delantera, 4x2 o 4x4; también por las prestaciones del vehículo, por la belleza, por la comodidad, así como por el precio. El sistema de elevación se limitará a automotores de gama media y alta, ya que dentro de las características de costos no sería viable la instalación del sistema en autos de gama baja, debido a que cuentan con el equipamiento básico y con pocos accesorios; otra característica a considerar sería el rango de peso que no debe ser mayor a dos toneladas en automotores de las líneas SUVS & CROSSOVERS, esta condición define el alcance y limitación de este proyecto.


Descripción del Método

Desarrollo del producto

Uno de los objetivos de la Mecatrónica es el diseño de sistemas y dispositivos más compactos, robustos y económicos. Es por eso que el diseño de este sistema mecatrónico está basado en el análisis y simulación de prototipos virtuales por medio de la mecánica computacional2. También se utilizan procesos de producción para el diseño de productos.

A continuación, se presenta un diagrama de bloques del proceso utilizado para la fabricación del prototipo. Fig.13

Diagrama de bloques del proceso de fabricación propuesto.

Diagrama de bloques del proceso de fabricación propuesto

Figura 1. Diagrama de bloques de la secuencia del diseño. Tomada del Hagen, K. D.

De acuerdo al sistema de producción se involucran tres áreas del conocimiento en el proceso: la parte mecánica para el diseño de la estructura y la selección de materiales de construcción; la parte hidráulica para la selección de componentes hidráulicos como es la unidad de potencia compacta y el pistón hidráulico, por último; la parte de control para la limitaciones de seguridad e instalación de sensores, además del acoplamiento de la etapa de potencia con la de control. El control de un proceso en cualquier momento se debe considerar esencial para analizar sus consecuencias inmediatas o futuras y tomar decisiones al respecto.

Necesidades del sistema

El diseño del sistema inicialmente considera al vehículo; en este caso, el seleccionado fue un vehículo tipo SUVS & CROSSOVERS (camioneta familiar) de la que se presentan los datos técnicos a continuación (ver Tabla 1).

Tabla 1. Especificaciones y datos técnicos del vehículo a considerar para el diseño.


Marca

Chrysler

Modelo

Voyager

Generación

Voyager II (GS)

Motor

2.4 i (150 Hp)

Potencia

150 CV

Máxima velocidad

180 km/h

Tipo Coupe

minivan

Largo

4733 mm.

Width

1950 mm.

Height

1740 mm.

Distancia entre ejes

2878 mm.

Distancia entre eje delantero

1600 mm.

Volver pista

1626 mm.

Volumen de motor

2429 cm.3

Peso

1780 kg.

Peso máximo

2435 kg.

Tamaño del neumático

215/65 R15 T


Especificaciones y requerimientos

  • Factibilidad: el análisis de la situación determinó que sí era posible de realizar el proyecto.
  • Posibles soluciones: se ofrecen tres soluciones posibles considerando ventajas y desventajas de cada una de ellas.

Opción seleccionada

Por la viabilidad de manufactura se seleccionó el diseño de una rampa hidráulica de tijeras para realizar el prototipo en su primera etapa, solo se consideró el sistema para la parte delantera, por ser la más compleja en cuestión de espacios, además que normalmente es la que tiene la mayor carga y para la parte trasera, sería el mismo mecanismo con modificaciones en la parte de control.

Las dimensiones importantes a considerar son: Altura entre bastidor y el suelo; Altura de la estructura y Altura máxima de la estructura.

Cad: Dibujo de los componentes.

Al finalizarse el dibujo de todos los componentes se realizó el ensamblaje respectivo, el resultado se muestra en la estructura de la figura 2.

El mecanismo terminado que fue  desarrollado en el software CAD

Figura 2. El mecanismo terminado que fue desarrollado en el software CAD.

CAE: Análisis de cargas

Debido a que la carga solo es aplicada en el último lapso, la carga necesaria del actuador debe ser menor de 31,000 Newton (considerando en factor de seguridad 33% por pasajeros y equipaje), como se visualiza en la gráfica de la figura 3; por lo que se requiere un actuador que proporcione esa fuerzaii.

fuerza requerida con la carga levantada a media altura determinada mediante el software CAE al efectuar el cálculo de fuerzas para el mecanismo mostrado

Figura 3. Gráfica que muestra la fuerza requerida con la carga levantada a media altura determinada mediante el software CAE al efectuar el cálculo de fuerzas para el mecanismo mostrado.

Selección del pistón

Para la selección del pistón se debe tener en consideración dos aspectos importantes: carrera necesaria y la fuerza ejercida por el pistón, esta información es necesaria consultarla directamente con los fabricantes. En este caso, se eligió un gato hidráulico Truper® acorde con los requerimientos de carrera y de fuerza para el prototipo propuesto, el seleccionado fue el GAT-084.

Selección de la unidad de potencia compacta

Para la selección de la unidad de potencia se necesita considerar tres aspectos:

  1. Cálculo de la bomba.
  2. Potencia del motor.
  3. Accesorios hidráulicos.

La selección de la bomba requiere de tres parámetros: Tiempo de elevación, Carrera del émbolo y Diámetro interno del cilindro.

Cálculo del caudal

Al tener estos tres parámetros se puede calcular, el caudal necesario que debe proporcionar la bomba para que cumpla con el sistema.

calcular el caudal necesario que debe proporcionar la bomba para que cumpla con el sistema

Donde:

Di = diámetro interno del cilindro

C = carrera del émbolo

T = tiempo que tarda en recorrer la carrera

Con los valores estimados se determinó que el caudal requerido es de:

Con los valores estimados se determinó que el caudal requerido es de

Por tanto, el caudal requerido es de 0.225 galones por minuto.

Cálculo de potencia del motor y selección de la bomba

Los parámetros necesarios para la selección de la potencia del motor de la bomba son: el caudal requerido, la presión de trabajo, y un factor del fabricante equivalente a 0.000583. Para este caso, el caudal resultó muy pequeño (de 0.225 GPM), además la presión de trabajo se redondeó a 150 bar, considerando que a esta presión operan las bombas hidráulicas pues la potencia requerida resultó de Pot = 0.2623 HP.

Teniendo los requerimientos del flujo, potencia, y el contenedor; además de considerar los accesorios necesarios como son la válvula reguladora a 2.000 psi (aproximadamente 140 bar), una válvula de control de flujo y una válvula check se pudo seleccionar la unidad de potencia hidráulica compacta de la compañía Monarch®5 que se ilustra en la figura 4.

Unidad de potencia Monarch®,  tomada de la página web de Allbis

Figura 4. Unidad de potencia Monarch®, tomada de la página web de Allbis

Cálculo de la manguera

El diámetro de la manguera se determinó mediante tablas de fabricantes a partir del caudal, velocidad de flujo y presión, el resultado fue de 0.0782 in; por lo que se eligió el diámetro comercial de 1/8 in.

Control

El control del sistema considera un diseño para el correcto funcionamiento, además de proteger al operario de posibles conflictos de operación al considerar diversas circunstancias de seguridad.

Especificaciones y requerimientos

  1. El control se realizará con microcontroladores.
  2. El acoplamiento de la etapa de potencia con la etapa de control será con relevadores.
  3. El accionamiento será por medio de RF (radio frecuencia).
  4. Utilizará los sensores acordes al sistema.
  5. Contará con un bloqueo para que, si la camioneta está en movimiento o no tiene el parking, el sistema hidráulico se bloqueé y no funcione.
  6. Si el mecanismo está funcionando, el vehículo no arranque.

Con los criterios anteriores se procedió a la selección del microcontrolador, se eligió el 16F877 (ver figura 5) de la familia de Microchip® que está dentro de una gama media y es muy utilizado en el mercado para la realización de diversas aplicaciones, además que cumple con el cometido para la aplicación deseada.

Tabla 2. Programa del control de accionamiento

Programa del control de accionamiento

El director del proyecto muestra el  microcontrolador 16F877  utilizado para actuar el sistema

Figura 5. El director del proyecto muestra el microcontrolador 16F877 utilizado para actuar el sistema.


Resultados obtenidos

El presente proyecto logró el objetivo que consistió en la realización de un sistema que resuelva la problemática planteada con la elevación de neumáticos (ver serie de fotografías 6 a) y b). El total de los costos de elaboración del proyecto fue de $ 16.782,00 pesos que aunque se considera elevado, es atractivo en función de la relación costo beneficio. Además, el sistema fue calculado para vehículos de gama media y alta, cuyo equipamiento es caro; el costo presentado sirvió para construir el prototipo, cuando se produzcan en volumen, los costos se abatirán considerablemente. En base a experiencia en otros diseños, se estima que los costos del sistema producido en serie, disminuirá al 40 % del costo.

espacio para la unidad de potenciaunidad ya colocada

Figura 6. a) Fotos que muestran el espacio para la unidad de potencia, y la unidad ya colocada y puesta la guarda en una camioneta familiar Voyager.

vehículo levantado de las llantas delanterasllantas delanteras

Figura 6. b) Las fotos muestra el vehículo levantado de las llantas delanteras.


Conclusión

El proyecto resultó ser viable y factible como lo demuestra la construcción del prototipo, se obtuvo un sistema capaz de competir ventajosamente con distintos prototipos que existen para la elevación de vehículos. Además de la evolución de los gatos convencionales, las ventajas se mencionan a continuación:

Versatilidad de uso

Aunque el sistema automotriz de elevación de neumáticos responde a la problemática del cambio de llantas de los vehículos para las mujeres; en realidad, el sistema resulta ser útil para todos los conductores, ya que indistintamente, facilita la tarea y evita tener que recurrir a posiciones incómodas y desagradables.

Equipo integrado

Facilita la tarea cuando se presenta una pinchadura en carretera; en especial cuando se produce en condiciones extremas climatológicas o en sitios que pongan en peligro la integridad física del(a) conductor(a) o en los casos en que el tiempo juegue un factor preponderante.

Portabilidad

Es fácil y además evita preocuparse de posibles olvidos del gato.

Rapidez de ejecución

La elevación de la unidad se ejecuta en menos de 5 segundos.

Estabilidad y seguridad

Al estar el vehículo elevado, contará con absoluta estabilidad, evitando con ello, tambaleos o posibles accidentes por resbalamiento de la plataforma.

Facilidad de accionamiento

El sistema se opera por un control remoto a fin de evitar un accidente al momento de actuarlo; lo que también permite mayor seguridad para el operador.

Notas

i Entendamos por talacha hacer el trabajo necesario para cambiar una de las llantas a un vehículo.

ii El cálculo del análisis de esfuerzos y de material requerido, se reservan para proteger la propiedad intelectual y el registro de patente del cual se ha iniciado el trámite.


Referencias

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Fecha de recepción Fecha de aceptación Fecha de publicación
20/08/2015 14/10/2015 31/05/2016
Año 3, Número 3. Mayo - Agosto, 2016

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