Diseño y análisis dinámico de un sistema de transmisión de mínimo peso para una bicicleta de competición

Abstract

[ES] En el ciclismo de competición es esencial el uso de componentes que permitan alcanzar altas velocidades minimizando el peso del conjunto. La transmisión es una parte fundamental del vehículo en este aspecto. En este Trabajo Fin de Grado se tratará el diseño y análisis dinámico mediante un enfoque analítico de un sistema de transmisión de una bicicleta de carretera con el mínimo peso posible.

En primer lugar, se determinarán las acciones que actúan sobre el vehículo en condiciones de carrera de fondo. Se optimizarán las relaciones de transmisión con el propósito de alcanzar la mayor velocidad en régimen estacionario considerando las expresiones de la fuerza generalizada motriz y resistente.

Continuando con el aspecto dinámico del problema, se determinará la inercia generalizada, siendo posible de este modo obtener la expresión de la ecuación del movimiento de la bicicleta. Esta expresión puede ser empleada por otros autores con el fin de validar sus diseños, e incluso de cuantificar el rendimiento de un ciclista, desde el punto de vista biomecánico.

Con el objetivo de reducir el peso del conjunto se modelarán algunos elementos de la transmisión mediante materiales compuestos empleando la herramienta numérica de los elementos finitos. Asimismo, las partes objeto de diseño cumplirán con la normativa de aplicación.

[CA] En ciclisme competitiu és essencial l'ús de components que permeten aconseguir grans velocitats, mitjançant la minimització del pes del conjunt. La transmissió és una part fonamental del vehicle en aquest sentit. Aquest Treball Final de Grau abordarà el disseny i l'anàlisi dinàmica a través d'un enfocament analític d'un sistema de transmissió d'una bicicleta de carretera amb el mínim pes possible. Així mateix, es realitzarà una anàlisi del comportament mecànic de la biela per al sistema dissenyat mitjançant el Mètode d'Elements Finits. En primer lloc, es determinaran les accions que actuen sobre el vehicle en condicions de carrera de fons. S'optimitzaran les relacions de transmissió per aconseguir la màxima velocitat en règim estacionari considerant les expressions de la força generalitzada motriu i resistent. Continuant amb l'aspecte dinàmic del problema, es determinarà la inèrcia generalitzada, sent possible d'aquesta manera obtenir l'expressió de l'equació del moviment de la bicicleta. Aquesta expressió pot ser utilitzada per altres autors per validar els seus dissenys, i fins i tot, per quantificar el rendiment d'un ciclista des del punt de vista biomecànic. Per últim, amb aquest objectiu de reduir el pes del conjunt, es modelitzarà la biela per a la transmissió dissenyada. En aquest punt, es considerarà com a material de fabricació del component un laminat creuat y simètric de matriu polimèrica reforçada amb fibra de carboni unidireccional. S'executarà una anàlisi resistent i s'obtindran resultats utilitzant el programa ANSYS Mechanical APDL. Les parts subjectes a disseny compliran amb la normativa aplicable.

[EN] In competitive cycling it is essential to use components which allow high speeds. These speeds are achieved by minimizing the weight of the set. The drivetrain is a fundamental part of the vehicle in this regard. This Final Project will address the design and dynamical analysis of a road bicycle transmission system with a minimum weight, using an analytical approach. Furthermore, an analysis of the mechanical behavior of the crank will be carried out for the designed system using the Finite Elements Method. First, the actions on the vehicle under long race conditions will be determined. The gear ratios will be optimized to achieve the highest speed in stationary regime, considering for this purpose the expressions of the generalized driving and resistant force. Continuing with the dynamical aspect of the problem, the generalized inertia will be determined. By this way it will be possible to obtain the equation of motion of the bicycle. This expression could be used by other authors to validate their designs, and even to quantify the performance of a cyclist from a biomechanical point of view. Finally, with the objective of reducing the weight of the set, the crank of the designed drivetrain will be modeled. At this point a symmetrical cross-laminate, comprised of unidirectional carbon fiber reinforced polymer matrix, will be considered as the component's manufacturing material. Results from a static analysis will be obtained using the tool ANSYS Mechanical APDL.The parts subject to design will comply with the applicable regulations in this matter.