ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

(ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Especialidad Mecánica

DISEÑO Y ANÁLISIS DE UN KART CON

PILA DE COMBUSTIBLE

Autor: Andrés Tur McGlone

Director: Juan de Norverto Moriñigo

Madrid

Junio 2016

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AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN RED DE

PROYECTOS FIN DE GRADO, FIN DE MÁSTER, TESINAS O MEMORIAS DE

BACHILLERATO

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. Andrés Tur McGlone DECLARA ser el titular de los derechos de propiedad

intelectual de la obra: DISEÑO Y ANÁLISIS DE UN KART CON PILA DE COMBUSTIBLE,

que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley

de Propiedad Intelectual.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de

la Universidad, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas, de forma gratuita y no

exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de

archivo, de reproducción, de distribución y de comunicación pública, incluido el derecho de

puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El

derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra a) del apartado

siguiente.

3º. Condiciones de la cesión y acceso

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión

de derechos contemplada en esta licencia habilita para:

a) Transformarla con el fin de adaptarla a cualquier tecnología que permita incorporarla a

internet y hacerla accesible; incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e

incorporar “marcas de agua” o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,

incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de

garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato.

c) Comunicarla, por defecto, a través de un archivo institucional abierto, accesible de modo

libre y gratuito a través de internet.

d) Cualquier otra forma de acceso (restringido, embargado, cerrado) deberá solicitarse

expresamente y obedecer a causas justificadas.

e) Asignar por defecto a estos trabajos una licencia Creative Commons.

f) Asignar por defecto a estos trabajos un HANDLE (URL persistente).

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra tiene derecho a:

a) Que la Universidad identifique claramente su nombre como autor de la misma

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través

de cualquier medio.

c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada.

d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras

personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos

de propiedad intelectual sobre ella.

5º. Deberes del autor.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún

derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la

intimidad y a la imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que

pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e

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intereses a causa de la cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por

infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso

con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio,

investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes

deberes y se reserva las siguientes facultades:

La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no

garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un

uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá

de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se

obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas.

La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo

la responsabilidad exclusive del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en

nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual

derivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación

frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los

usuarios hagan uso de las obras.

La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un

futuro.

La Universidad se reserva la facultad de retirar la obra, previa notificación al autor, en

supuestos suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a 28 de Agosto de 2016

ACEPTA

Fdo………………………………………………

4

Declaro, bajo mi responsabilidad, que el Proyecto presentado con el título

“Diseño y análisis de un kart con pila de combustible”

en la ETS de Ingeniería - ICAI de la Universidad Pontificia Comillas en el

curso académico 2015/2016 es de mi autoría, original e inédito y

no ha sido presentado con anterioridad a otros efectos. El Proyecto no es

plagio de otro, ni total ni parcialmente y la información que ha sido tomada

de otros documentos está debidamente referenciada.

Fdo.: Andrés Tur McGlone Fecha: …28…/ …08…/ …2016…

Autorizada la entrega del proyecto

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

Fdo.: Juan de Norverto Moriñigo Fecha: …28…/ …08…/ …2016…

Vº Bº del Coordinador de Proyectos

Fdo.: Jesús Ramón Jiménez Octavio Fecha: ……/ ……/ ……

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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

(ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Especialidad Mecánica

DISEÑO Y ANÁLISIS DE UN KART CON

PILA DE COMBUSTIBLE

Autor: Andrés Tur McGlone

Director: Juan de Norverto Moriñigo

Madrid

Junio 2016

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DISEÑO Y ANÁLISIS DE UN KART CON PILA DE COMBUSTIBLE

Autor: Tur McGlone, Andrés

Director: de Norverto Moriñigo, Juan

Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

RESUMEN DEL PROYECTO

1. Introducción

El proyecto consistirá en el diseño y análisis de un kart con pila de combustible utilizado en un karting de ocio. Dicho proyecto constará de 3 bloques:

El primer bloque explicará los efectos de los vehículos de combustión sobre el medioambiente. A continuación, se hablará sobre el hidrógeno, el cual va a ser la fuente renovable utilizada en nuestro kart.

El segundo bloque se dividirá a su vez en 4 partes:

- El diseño de gran parte del vehículo. Se presentarán las características de cada elemento.

- La elección de 4 elementos fundamentales de nuestro singular kart: el motor eléctrico, la pila de combustible, el tanque de hidrógeno y los ultracondensadores (baterías).

- En el tercer apartado se presentará un estudio económico del vehículo anotando los precios de las partes que componen el kart.

- El análisis estructural del chasis. Se realizarán 5 simulaciones de distintos casos que se dan durante una carrera.

Por último, en el tercer anexo se presentarán todos los planos de las piezas diseñadas.

2. Metodología

Para el diseño del kart se utilizará el software Catia v5 proporcionado por la escuela. Este potente programa permitirá tanto la elaboración del chasis tubular como la creación de la mayoría de los elementos que componen el kart. El kart se diseñará por partes (CATpart) y se ensamblarán posteriormente (CATproduct) siguiendo unas determinadas referencias.

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Figura 1. Diseño final Catia Para la visión particular de las piezas dentro del vehículo y para la elaboración de los planos de cada pieza se ha utilizado el programa Solid Edge (SE).

Figura 2. Diseño final SE

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Figura 3. Detalle Pedales SE

Figura 4. Plano Asiento SE

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En el siguiente bloque se realizará la elección de los elementos que caracterizan nuestro vehículo teniendo en cuenta la potencia que queremos para nuestro kart. Partiremos de un motor eléctrico que nos proporcione dicha potencia y continuaremos con la elección de la pila y el tanque de hidrógeno que nos proporcionen la fuente de alimentación necesaria para hacer funcionar nuestro motor con un buen rendimiento. Por último, se elegirá un conjunto de ultracondensadores que sean eficientes y adecuados para nuestro kart, que sean capaces de almacenar la energía eléctrica sobrante y proporcionarla en los momentos de pico. Por último, para el análisis estructural del chasis se ha utilizado de nuevo el programa Catia v5. Se han realizado 5 ensayos de situaciones típicas que se dan a lo largo de una carrera. Para ello se han realizado determinadas hipótesis para intentar reflejar de la mejor manera posible los esfuerzos que sufre un chasis en la realidad.

Figura 5. Análisis estructural Catia

3. Resultados En cuanto al diseño obtenido se ha podido elaborar un kart con gran detalle que sería un buen preámbulo para un diseño total y profesional en el futuro. Se ha procurado seguir la normativa del karting lo mejor posible, pero en algunos casos se han tenido que utilizar medidas particulares. Al ser un kart de ocio no está obligado a cumplir las normativas del karting de competición puesto que las medidas de seguridad son diferentes. Además, está dirigido a otro público. A su vez, no hay ninguna reglamentación sobre los elementos de la tecnología de hidrógeno que hemos utilizado por lo que no se podía seguir la normativa en determinadas situaciones.

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En lo que respecta al análisis económico, solo se han tenido en cuenta el precio de las piezas de forma individual. No se ha podido hacer una estimación completa sobre el coste de ensamblaje. A su vez, no se han podido concretar todas las piezas, debido a la numerosa cantidad de uniones y determinados elementos que son necesarios para que funcionen la pila de combustible, el tanque de hidrógeno, el motor eléctrico y los ultracondensadores. Tampoco se ha tenido en cuenta el precio de la pintura ni las posibles pegatinas. Sin embargo, se ha podido realizar una estimación útil como preámbulo para un análisis más detallado. Por último, los resultados obtenidos en las 5 simulaciones han sido favorables. El diseño del chasis supera los esfuerzos a los que se le ha sometido con un adecuado coeficiente de seguridad. Los resultados tienen sentido para los esfuerzos a los que han sido sometidos y reflejan en buena medida que partes sufren más en la realidad. Por otro lado, se han mostrado los desplazamientos de las distintas secciones, comprobando que también daban resultados esperados.

4. Conclusiones En primer lugar, destacar la importancia que tendrá esta tecnología en el futuro del mundo del automovilismo. La introducción de las energías renovables en el sector del karting es un proceso que ayuda a fomentar e incitar a las industrias automovilísticas a investigar sobre nuevas tecnologías sostenibles. Es cierto que es una tecnología muy nueva y con una baja infraestructura, pero a medida que se inviertan en ella se podrán alcanzar increíbles resultados para la sustitución de vehículos de combustión interna por vehículos eléctricos que no produzcan ningún elemento contaminante. En segundo lugar, comentar la gran potencia que tiene el programa Catia v5 a la hora de diseñar piezas. Existen numerosas maneras de diseñar, tanto por extrusión de piezas, como a partir de superficies y añadirles un espesor (estos han sido las principales herramientas utilizadas en el diseño del kart). Tiene un modo sencillo de ensamblaje y es capaz de transformar archivos Catia en archivos de otros programas CAD tales como Solid Edge. Es cierto que el manejo de este programa puede costar un poco al principio, pero gracias a los apuntes de la asignatura Innovative Modern Engineering (agradecer en concreto a la profesora Silvia Fernández Villamarín) y a determinados tutoriales se ha podido lograr un uso fluido del programa. En cuanto al programa Solid Edge decir que es más sencillo de utilizar que el programa Catia v5. Es muy útil para la elaboración de los planos de las piezas, para mostrar las cotas y diversos detalles de las mismas. A su vez se han podido pintar las piezas, aunque con una limitada gama de colores. Para el detallado estético puede ser útil el uso de otros programas tales como Keyshot. En tercer lugar, la inversión en este kart puede ser mayor que en los karts habituales, pero va a tener un papel importante la reducción de contaminación atmosférica y la diferencia de coste del combustible. Esta diferencia se va a ir reduciendo a medida que se gasten los combustibles fósiles y se mejore la

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tecnología. Por otra parte, las piezas se podrían someter a programas de optimización en futuros proyectos para reducir sus pesos, y por consiguiente sus precios. Al igual que se podría estudiar la combinación de otras pilas de combustible, otro motor eléctrico u otros ultracondensadores. Por último, en cuanto al análisis estructural del chasis decir que ha sido difícil realizar las hipótesis para que se parezca a lo que pasa en la vida real puesto que al tratarse de un conjunto ensamblado no solo actúan cargas uniformes en secciones de barras, existen otras reacciones e hipótesis que no se han podido tener en cuenta. Sin embargo, los resultados han sido positivos y nuestro chasis ha superado todas las pruebas a las que se le ha sometido con un buen factor de seguridad. Esto indica que en futuros proyectos se podría optimizar el diseño utilizando diferentes programas como puede ser Ansys.

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DESIGN AND ANALYSIS OF A FUELL CELL GO-KART

Author: Tur McGlone, Andrés

Director: de Norverto Moriñigo, Juan

Collaborating Entity: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

1. Introduction

The project will consist on the design and analysis of a fuel cell go-kart (or kart) used on leisure karting. The project will be divided in 3 blocks:

The first block will explain the effects of combustion vehicles on the enviorenment. Then we will talk about hydrogen, which will be our renewable source used in our kart.

The second block will be divided in 4 parts:

- The design of the vehicle. The characteristics of each element will be

explained.

- The selection of 4 fundamental elements of our unique go-kart: the

electric engine, the fuel cell, the hydrogen tank and the

ultracapacitors (batteries).

- In the third section we will show a table with the prices of the parts of

the vehicle (which were able to estimate or find).

- Structural analysis of the chassis. We will analyze 5 simulations of

different cases that occur during a race.

Finally, in the third block, all the plans of the designed pieces will be

presented.

2. Methodology

For the design of the kart we will use the software Catia v5, provided by the

university. This powerful program will allow both the elaboration of the tubular

chassis and the creation of most of the elements that compose the kart. The

kart will be designed on parts (CATpart) and will be assembled later

(CATproduct) following a few certain references.

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Figure 1. Final design Catia

The program Solid Edge (SE) will be used for the particular vision of the pieces

inside the vehicle and for the creation of the planes of every piece.

Figure 2. Final design SE

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Figure 3. Pedals SE

Figure 4. Seat plan SE

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The following block will consist on the selection of the elements that

characterize our vehicle bearing in mind the power that we want for our go-kart.

We will start with an electrical engine that provides the above mentioned power

to our vehicle and will continue with the election of the battery and the tank of

hydrogen that should provide the necessary power supply to make our engine

work with a good yield. Finally we will choose a set of ultracapacitors that are

highly efficient for our vehicle.

Finally, for the structural analysis of the chassis, the program Catia v5 will be

used again. We will study 5 essays of typical situations that happen along a

race. For this analysis, certain hypotheses have been considered to try to

reflect in the best way the efforts that a chassis suffers in reality.

Figure 5. Chassis analysis Catia

3. Results

It has been possible to elaborate a go-kart with a lot of detail, which would be a good start point for a further complete design. For the design we tried to fulfill the go-kart regulation but sometimes it was impossible to do this because we needed particular measures. As it is a leisure go-kart there has to be a different security provided for the vehicle. This vehicle is also aimed to average people. In turn, there are no rules on the elements of the hydrogen technology therefore it was not possible to follow the regulation in certain situations.

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For the economic analysis, there has been born in mind the price of the pieces

of individual form. It was not possible to have done a finished estimation on the

assembly cost. In turn, they could not have specified all the pieces, due to the

numerous quantity of unions and certain elements that are necessary to use the

fuel cell, the tank of hydrogen, the electrical engine and the ultracapacitors..

Nevertheless, it was possible to make a useful estimation as preamble for a

more detailed analysis.

Finally, the results obtained in the 5 simulations have been favorable. The

design of the chassis overcomes the efforts that one has submitted him with a

suitable safety coefficient. This indicates that in future projects it might be able

to optimize the design using different programs such as Ansys software. The

results make sense and reflect mostly which parts suffer more in the reality. On

the other hand the displacements of the different sections have appeared,

verifying that they were giving awaited results.

4. Conclusions

First of all to emphasize the importance that this technology will have in the

future of the automotive world. The introduction of renewable energies in the

sector of karting is a process that helps to encourage and the car industries to

investigate on new sustainable technologies. It is true that it is a new

technology and with a low infrastructure, but as the companies and

governments are investing on it, incredible results might be reached for the

replacement of internal combustion vehicles by electrical vehicles that do not

produce pollution.

Secondly, to comment on the big capacity of the program Catia v5 at the time of

designing pieces. There are numerous ways of designing, so much for pieces

extrusion, as of departing from surfaces and adding thickness (these have been

the main tools used in the design of this go-kart). It has a simple assembly way

and it is capable of transforming Catia files into files of other CAD programs

such as Solid Edge. It is true that the handling of this program can be difficult at

first but thanks to the notes of the subject Innovative Modern Engineering (to be

grateful in particular to the teacher Silvia Fernández Villamarín) and to certain

tutors I could achieve a fluid use of the program.

The program Solid Edge is simpler to use than the program Catia v5. It is very

useful for making the planes of the pieces, to show the measures and diverse

details of the same ones. It was also possible to paint the pieces but with a

limited scale of colors.

In the third place the investment in this kart can be bigger than a common kart,

but an important role is going to have the reduction of air pollution and the cost

difference of the fuel. This difference is going to be diminishing as the fossil

fuels run out and the technology is improved. On the other hand the pieces

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might surrender to optimization programs in future projects to reduce its weight,

and consequently its prices.

Finally, for the structural analysis of the chassis to say that it has been difficult

to ellaborate the hypotheses so that it looks alike to what happens in real life

because not only thre are uniform charges in bars sections, there also are other

reactions and hypotheses that can not have born in mind. Nevertheless, the

results have been positive and our chassis has overcome all the tests with a

good safety factor.

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ÍNDICE

ANEXO I: MEMORIA DESCRIPTIVA .......................................................................... 20

1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 22

2. MOTIVACIÓN DEL PROYECTO ...................................................................... 22

3. OBJETIVO DEL PROYECTO ........................................................................... 23

4. KART ............................................................................................................... 23

5. KARTING ......................................................................................................... 24

6. IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DE LOS MEDIOS DE TRANSPORTE [4] ....... 25

6.1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 25

6.2. PRINCIPALES CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS .............................. 25

6.3. CALENTAMIENTO GLOBAL ..................................................................... 26

6.4. ESCASEZ DE RECURSOS FÓSILES ...................................................... 27

7. OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO [4] .................................................................. 29

8. ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO [4] ...................................................... 33

9. PILA DE COMBUSTIBLE [4] ............................................................................ 35

10. MOTOR ELÉCTRICO [19] ............................................................................ 37

11. ULTRACONDENSADORES [4] .................................................................... 38

ANEXO II: DISEÑO Y SIMULACIÓN .......................................................................... 42

1. DISEÑO DEL KART ......................................................................................... 44

2. EL KART .......................................................................................................... 45

2.1. CHASIS..................................................................................................... 46

2.2. CARROCERÍA .......................................................................................... 48

2.3. EJES DE PARACHOQUES ....................................................................... 48

2.4. PARACHOQUES ...................................................................................... 49

2.5. SISTEMA DE DIRECCIÓN ....................................................................... 52

2.6. SISTEMA DE FRENADO .......................................................................... 55

2.7. SISTEMA DE SUSPENSIÓN .................................................................... 56

2.8. PEDAL DEL ACELERADOR ..................................................................... 57

2.9. ASIENTO .................................................................................................. 57

2.10. EJE TRASERO ...................................................................................... 58

2.11. BANDEJAS ........................................................................................... 60

2.12. ELEMENTOS DE RODADURA ............................................................. 61

2.13. NEUMÁTICOS ....................................................................................... 63

3. SELECCIÓN DE ELEMENTOS ........................................................................ 64

19

3.1. MOTOR ELÉCTRICO ............................................................................... 64

3.2. PILA DE COMBUSTIBLE .......................................................................... 67

3.3. TANQUE DE HIDRÓGENO [16] ............................................................... 69

3.4. ULTRACONDENSADORES [17] ............................................................... 70

4. ANÁLISIS ECONÓMICO .................................................................................. 71

4.1. COMERCIALIZACIÓN .............................................................................. 71

5. ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL CHASIS ........................................................ 73

1ª SIMULACIÓN: RESISTENCIA DEL CHASIS EN PARADO ............................. 76

2ª SIMULACIÓN: RESISTENCIA CON ACELERACIÓN DE MÁXIMA ................. 80

3ª SIMULACIÓN: IMPACTO FRONTAL ............................................................... 83

4ª SIMULACIÓN: IMPACTO LATERAL ............................................................... 85

5ª SIMULACIÓN: PASO POR UN PIANO ............................................................ 87

6. CONCLUSIONES ............................................................................................ 90

7. INNOVACIONES FUTURAS ............................................................................ 91

BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................... 92

ANEXO III: PLANOS ................................................................................................... 94

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ANEXO I: MEMORIA DESCRIPTIVA

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1. INTRODUCCIÓN El proyecto consistirá en el diseño y análisis de un kart con pila de combustible utilizado en un karting de ocio. En cuanto al diseño, se realizará la mayor parte de las piezas que lo componen. Se utilizará el programa Catia v5. Dentro de nuestro vehículo habrá 4 elementos que tendremos que elegir del mercado. Se trata de la pila de combustible, el motor eléctrico, el tanque de hidrógeno y los ultracondensadores. Se realizará una tabla en la cual se estime el valor de la mayoría de las piezas que forman nuestro kart. Algunas de ellas no podrán ser conocidas debido a la privacidad de los proveedores. En cuarto lugar, se realizará un análisis estructural sobre uno de los elementos más relevantes del vehículo, el chasis. Dicho elemento está caracterizado por ser el “esqueleto” del kart y el cual va a tener que soportar diversas cargas. Para este análisis se utilizará de nuevo el programa Catia v5. Por último, se mostrarán los planos de las piezas diseñadas. Para ello utilizaremos el programa Solid Edge. En dichos planos podremos ver sus medidas más relevantes y determinados detalles representativos.

2. MOTIVACIÓN DEL PROYECTO En la actualidad los ingenieros nos tenemos que preparar para los cambios que están por venir y uno de los mayores cambios que se ven a producir es el fin de los combustibles fósiles. Esto indica que se necesitan buscar fuentes renovables para suplir una de las mayores demandas del ser humano, el petróleo. En las últimas décadas se ha estado viendo como los vehículos eléctricos e híbridos se han ido introduciendo en el mercado automovilístico, sin embargo, una de las últimas incorporaciones ha sido la de los vehículos con pilas de combustible. Este tipo de vehículos tiene unas características muy prometedoras, las cuales me han llamado la atención para realizar un proyecto con esta tecnología. El diseño de un kart que funcione con esta tecnología era una buena forma de entender el funcionamiento de la pila de combustible, que ventajas y desventajas supone y en qué se diferencia de los karts que se utilizan hoy en día. Son mucho más sencillos que los vehículos de turismo por lo que su diseño y análisis están más al alcance de mis conocimientos.

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3. OBJETIVO DEL PROYECTO El proyecto constará de tres principales objetivos:

1. El diseño de un kart que funcione con una pila de combustible y que será utilizado en un centro de karting. Se diseñará gran parte de los elementos del kart y posteriormente se ensamblarán formando un conjunto. Se presentarán las características de las piezas diseñadas, las referencias utilizadas, los planos de las piezas y se mostrará su localización en el conjunto.

2. La elección de los elementos que componen esta innovadora tecnología: una pila de combustible, un motor eléctrico, una bombona de hidrógeno y unos ultracondensadores a modo de batería.

3. El análisis del chasis al ser sometido a diversos esfuerzos que se dan en

situaciones reales en la competición de karting. Se realizarán cinco simulaciones en las cuales se mostrarán los esfuerzos en las barras, mostrando sus zonas más críticas y por otra parte se mostrarán los desplazamientos de los puntos de las barras.

4. KART Un kart (o go-kart) es un vehículo terrestre monoplaza (o biplaza), sin techo o cockpit, de cuatro ruedas no alineadas que están en contacto con el suelo. Las dos ruedas traseras se encargan de la tracción del vehículo mientras las dos delanteras del control de dirección. Estos vehículos están impulsados por un motor de gasolina o eléctrico. También existen karts que pueden ser impulsados a pedales. Los karts pueden utilizarse para ocio, pero están más extendidos en el mundo de la competición.

Figura 1. Kart Sodi GT [1]

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5. KARTING El karting es una disciplina del mundo del automovilismo en el cual se utilizan karts como vehículos. Las competiciones se realizan en los kartódromos tanto al aire libre como en el interior. Dentro del mundo del karting existen centros de ocio abiertos al público para disfrutar de esta experiencia.

Figura 2. Karting outdoor [2]

Figura 3. Karting indoor [3]

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6. IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DE LOS

MEDIOS DE TRANSPORTE [4]

6.1. INTRODUCCIÓN

Los automóviles han supuesto una gran contribución en el crecimiento de la sociedad moderna satisfaciendo las necesidades del transporte de las personas en su día a día. El gran desarrollo del sector automovilístico ha producido grandes ventajas, sobretodo en cuanto a calidad y seguridad del transporte, sin embargo, ha estado agravando ciertos problemas durante las últimas décadas. Entre estos problemas se encuentra el aumento de contaminación atmosférica, dando lugar al calentamiento global. Por otra parte, el incremento de vehículos está llevando a los recursos fósiles a su fin. Estos son los principales motivos que están llevando a las empresas a desarrollar e invertir en nuevas tecnologías, libres de emisiones y sin necesidad del uso de combustibles fósiles. Entre estas tecnologías se encuentra una que está cogiendo gran fuerza en los últimos años, la pila (o célula) de combustible. Dicha tecnología utiliza el hidrógeno como fuente de combustible, y es capaz de producir electricidad, por medio de una pila de combustible, sin emitir ningún tipo de gas contaminante. Es una tecnología que puede abrir muchas posibilidades, y no solo en el sector automovilístico sino en los demás sectores que necesiten energía eléctrica. Está previsto que alrededor del año 2050 no dispongamos de suficientes recursos fósiles y habrá que optar por estas nuevas “tecnologías verdes”. Ya ha comenzado el pulso entre los vehículos eléctricos y los híbridos para dominar uno de los mayores sectores a nivel mundial, pero parece que las pilas de combustible también quieren unirse a la competición.

6.2. PRINCIPALES CONTAMINANTES

ATMOSFÉRICOS

Actualmente, los vehículos de combustión interna utilizan hidrocarburos (HC) como combustible para propulsarse. La combustión es una reacción entre el combustible y el aire que produce calor y diferentes compuestos. El calor se transforma en energía mecánica a través del motor y los productos resultantes de la combustión son liberados a la atmósfera. Un hidrocarburo es un compuesto químico formado por átomos de Carbono (C) y de Hidrógeno (H). Idealmente, la combustión solo debería dar lugar a dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). El CO2 no supone un gran contaminante del medio ambiente a no ser que su concentración en aire haga que el oxígeno sea casi inexistente. Sin embargo, ninguna combustión de hidrocarburos se da de forma ideal, por lo que aparecen productos contaminantes no deseados. Los principales contaminantes de los automóviles son los siguientes:

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Óxido Nitroso (NOx): Aparece como resultado de la reacción entre nitrógeno y aire a altas presiones y temperaturas (situación que se da en la combustión). El óxido nitroso más común es el Óxido Nítrico (NO). También aparece el dióxido nítrico (NO2) en menor cantidad. El NO reacciona con los átomos de oxígeno atacando las membranas de las células vivas. El NO2 es el principal responsable de la aparición de “smog” (niebla tóxica). También reacciona con el vapor de agua formando ácido nítrico (HNO3) que es responsable de la lluvia ácida. La lluvia ácida daña a los seres vegetales y algunos edificios.

Monóxido de Carbono (CO): aparece como resultado de una combustión incompleta de HCs debido a la escasez de oxígeno. Es venenoso para los animales y los seres humanos que lo inhalan. Produce mareos y en gran cantidad la muerte.

HCs sin combustionar: aparecen debido a una combustión incompleta de HCs. Dependiendo de su naturaleza pueden ser más o menos dañinos para los seres vivos. Algunos pueden ser venenosos o cancerígenos o por otro lado pueden dar lugar al “smog”.

Óxidos sulfúricos (SOx): aparecen debido a impurezas del combustible. El más común en la combustión es el dióxido de sulfuro (SO2). En contacto con el aire forma SO3, que luego reacciona con agua dando lugar al ácido sulfúrico, produciendo lluvia ácida.

6.3. CALENTAMIENTO GLOBAL

El calentamiento global es el resultado del conocido “efecto invernadero” debido a la presencia de dióxido de carbono y otros gases, como el metano (CH4), en la atmósfera. Estos gases atrapan la radiación infrarroja del Sol reflejada por el suelo, aumentando la temperatura. Este incremento daña diversos ecosistemas y afecta a numerosas poblaciones. A su vez produce el deshielo de los polos y el aumento del nivel del agua. En las siguientes gráficas se puede apreciar como el sector del transporte es uno de los mayores culpables del calentamiento global.

Figura 4. Evolución de las emisiones de CO2 [4]

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Figura 5. Temperatura global de la atmósfera terrestre [4]

6.4. ESCASEZ DE RECURSOS FÓSILES El otro principal factor que está dando lugar al creciente desarrollo de vehículos eléctricos es la previsión del fin de los recursos fósiles. A continuación, se muestra una tabla de reservas probadas en el año 2000 (Las reservas probadas son " aquellas cantidades que la información geológica y de ingeniería indican con certeza razonable que se pueden recuperar en el futuro de yacimientos conocidos bajo las condiciones económicas y operativas existentes”). No constituye un indicador de las reservas totales de la Tierra. El indicador R/P es el número de años que las reservas probadas durarán si su producción continuara al mismo nivel.

Figura 6. Reservas probadas de petróleo en el año 2000 [4]

28

Se asume la hipótesis de que el consumo también es constante, el cual se sabe que es creciente, por lo que durarán menos años aún. A continuación, se muestran dos tablas. En la primera una tabla que indica el crecimiento de consumo de barriles de petróleo por día según las regiones y la segunda a nivel mundial. A medida que el consumo crece, también crece el nivel de gases contaminantes y emisiones de CO2.

Figura 7. Consumo de petróleo por región [4]

Figura 8. Consumo mundial de petróleo [4]

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En la última tabla se muestra la previsión de cuando se estima que se van a acabar los combustibles fósiles teniendo en cuenta el crecimiento de la consumición. Se estima que para el año 2038 no habrá suficientes recursos fósiles y tendremos que buscar otras fuentes de combustible.

Fig. 9. Reservas mundiales de petróleo restantes vs consumo acumulativo [4]

7. OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO [4]

Reformado de hidrocarburos

Hoy en día, la mayoría del hidrógeno es producido a partir de hidrocarburos por el método de reformado. El reformado es una reacción química en la que se extrae el hidrógeno de los hidrocarburos. Durante la reacción, la energía contenida en el combustible se transfiere del enlace carbón-hidrógeno al gas hidrógeno. Los hidrocarburos más utilizados para dicho proceso son el metano (gas natural), el metanol y la gasolina, debido a su facilidad para el reformado. Los dos primeros predominan sobre la gasolina.

Figura 10. Planta de reformado con vapor [5]

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Los 3 principales métodos de reformado son:

Reformado con vapor: el hidrocarburo reacciona con el vapor de agua a elevadas temperaturas. - Reformado del metano (CH4)

- Reformado del metanol (CH3OH)

- Reformado de la gasolina (iso-octano C8H18)

Estas reacciones son altamente endotérmicas y necesitan energía a partir de la combustión de combustibles. Además, estas reacciones producen algo de monóxido de carbono (CO) el cual es venenoso para algunos electrolitos. El CO puede ser convertido más adelante en hidrógeno y dióxido de carbono con un reactor de desplazamiento de gas de agua:

En el proceso de reformado con vapor, es preferible usar metanol como combustible, ya que no hay necesidad (teórica) para una reacción de desplazamiento de gas de agua y además la temperatura del proceso es baja (250 ºC). La producción de hidrógeno también es considerablemente alta. Entre sus desventajas, las más significativas son la intoxicación de los catalizadores del reformador por impurezas en el metanol y la necesidad de calor externo en la reacción endotérmica. Los requisitos de calor ralentizan la reacción e imponen un tiempo de arranque lento entre 30 y 45 minutos. Aunque es posible, la gasolina no se utiliza comúnmente en el reformado con vapor.

Reformado con oxidación parcial En la oxidación parcial se combina el combustible con oxígeno para producir hidrógeno y monóxido de carbono. Con este método se utiliza generalmente aire como oxidante y da lugar a un reformado que se diluye con nitrógeno. A continuación, el monóxido de carbono reacciona con el vapor de agua para producir hidrógeno y dióxido de carbono,

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como se ha mencionado anteriormente. Por lo general se utiliza gasolina (iso-octano) como combustible.

El reformado con oxidación parcial es altamente exotérmico, lo cual hace que se produzca la reacción de manera veloz. Otra ventaja es que tiene una gran flexibilidad con los combustibles a utilizar. Como desventaja presenta que tiene que producirse la reacción a elevadas temperaturas (800–1000◦C) y que la construcción de la planta es bastante compleja. Además, se puede apreciar que el calor producido en la primera reacción es mucho mayor que la absorbida en la segunda, haciendo que este proceso sea menos eficiente que el reformado por vapor.

Figura 11. Esquema de una planta de reformado con oxidación parcial [4]

Reformado térmico

El reformado térmico combina combustible con agua y vapor de agua para que el calor exotérmico de la reacción de oxidación parcial se equilibre con el calor endotérmico de la reacción de reformado con vapor.

Para n=2.83 no se genera ni se absorbe calor en la reacción. El CO producido en dicha reacción se puede tratar más adelante en un reactor de desplazamiento de gas de agua. El reformado térmico produce un hidrógeno más concentrado que el obtenido por oxidación parcial pero menor que el reformado por vapor. La introducción de calor es más fácil que en la oxidación parcial pero se necesita un catalizador. El reformado térmico es más eficiente que la oxidación parcial.

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Obtención de hidrogeno a partir del Amoniaco El amoniaco (NH3) no contiene carbón pero presenta unas interesantes características para la obtención del hidrógeno. El proceso de extracción de hidrogeno a partir del amoniaco se conoce como “cracking”:

Esta reacción se consigue a partir del calentamiento del amoniaco. Puede ser con un catalizador o sin él. Dicho catalizador hace que se reduzca la temperatura de reacción. La energía requerida para esta reacción es mínima puesto que es un proceso reversible. El amoniaco se almacena fácilmente en estado líquido, a baja presión y temperatura. (Sería interesante estudiar la viabilidad del uso de amoniaco en España puesto que se producen grandes cantidades de dicho producto anualmente). El principal problema del amoniaco es que es tóxico. Tiene gran afinidad con el agua y puede producir graves quemaduras en los ojos y los pulmones. Estas taras hacen que sea poco atractivo en el uso de vehículos con pilas de combustible.

Electrólisis de agua Un método que se utiliza para obtener el hidrógeno sin producir ningún tipo de emisión contaminante es a partir de la electrólisis del agua. Se podría considerar el proceso inverso de la pila de combustible. El problema de este proceso es que es poco eficiente por lo que se utiliza para obtener pequeñas cantidades de hidrógeno. Una de las claves para el futuro de las pilas de combustible es que este proceso fuera muy eficiente y que se pudiera producir mayores volúmenes de hidrógeno porque se podría crear un ciclo totalmente limpio, partiendo de una fuente renovable y obteniendo electricidad sin producir ningún tipo de contaminante.

El proceso de electrólisis es el siguiente. Se introduce agua en un depósito en el cual introducimos dos electrolitos. Un ánodo y un cátodo. La reacción se produce en un medio alcalino con el objetivo de mejorar la conductividad eléctrica. El hidrógeno producido en el cátodo se debe purificar ya que contiene ciertas impurezas de oxígeno y un cierto nivel de humedad. Las impurezas de oxígeno se eliminan con un convertidor DeOxo y el hidrógeno se seca mediante un adsorbente. Por el otro lado está el ánodo, donde se forma el oxígeno. Por lo general se disponen los electrodos en paralelo dentro de un tanque. El calor liberado en el proceso se elimina recirculando agua alrededor de las celdas. Este proceso cuesta aproximadamente el doble que el proceso de reformado con vapor. Una de las variantes para reducir el coste ha sido realizar la electrolisis en estado vapor. Se puede llegar a reducir el coste del proceso convencional hasta un 50%.

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Figura 12. Electrólisis del agua [6]

8. ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO [4]

El almacenamiento de hidrógeno es una de las principales desventajas que complica la implantación de esta tecnología en los vehículos normales. El objetivo de este almacenamiento es que se haga de forma compacta y ocupando el menor espacio posible. Para ello se han estudiado diferentes soluciones como pueden ser: altas presiones, temperaturas criogénicas, pero principalmente en compuestos químicos que presenten capacidad de almacenamiento y liberación de hidrógeno, ya sea mediante enlaces químicos o por fisisorción.

El hidrógeno se puede almacenar tanto en estado gaseoso como en estado líquido. El hidrógeno a presión ambiente tiene una baja densidad por volumen, sobretodo comparándola con la de los hidrocarburos (gasolina). Una forma de mejorar esta característica es mediante el incremento de presión del gas. Los tanques de almacenamiento serían más pequeños, pero no más livianos. Para obtener hidrógeno comprimido necesitamos energía para el compresor, y a mayor energía requerida, mayor cantidad de energía disipada, es decir, mayores pérdidas.

A continuación, se muestra una visión del Audi A7 h-tron. Dicho vehíclo dispone de 4 tanques de hidrógeno (gas), los cuales permiten una autonomía de unos 500 km.

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Figura 13. Audi A7 Sportback h-tron quatrro [7]

Por otro lado, se puede almacenar el hidrógeno en estado líquido (como se hace en los transbordadores espaciales). El inconveniente que presenta el hidrógeno líquido es que requiere almacenamiento criogénico y su temperatura de ebullición es de –252.882 °C. Por lo tanto, se necesita una gran cantidad de energía para alcanzar dicha temperatura y mantenerlo en ese estado. Los tanques deben estar elaborados de un material que evite la evaporación y dichos tanques suelen tener un elevado coste. A pesar de solventar este inconveniente seguimos teniendo el problema de la densidad. En estado líquido su densidad por volumen es 4 veces peor que el de los hidrocarburos.

Figura 14. Tanque externo de hidrógeno de un transbordador espacial [8]

Además de estos dos principales métodos de almacenamiento, que implican demasiados gastos energéticos, se están estudiando nuevas alternativas más eficientes como son el uso de hidruros metálicos o nanotubos de carbono. Aquí el gas se comprime a un nivel de presión más bajo (a unas pocas decenas de atmósferas) y se introduce en un recipiente lleno de un material que puede absorber y liberar el H2 en función de la

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presión, la temperatura y la cantidad de hidrógeno almacenada en el sistema. El uso de hidruros metálicos reduce los requisitos volumétricos y de presión para el almacenamiento, ya que cuando está totalmente lleno el dispositivo de almacenamiento, estos hidruros metálicos pueden contener el doble de átomos de hidrógeno del equivalente volumétrico de hidrógeno líquido. El problema es que es mucho más pesado que las otras soluciones. Sin embargo, varios fabricantes de automóviles están tomando medidas para incorporar dicha tecnología en la estructura de sus vehículos para obtener un peso total aceptable. La posibilidad de utilizar nanotubos de carbono podría acabar en gran medida con el problema del peso. Sin embargo, hay que señalar que las propiedades de los nanotubos de carbono con respecto a su utilidad como material de almacenamiento de H2 siguen siendo controvertidas. Uno de los mitos que se deben superar para popularizar los vehículos eléctricos de pila de combustible es la seguridad de llevar hidrógeno presurizado a bordo. La seguridad en la manipulación de hidrógeno ha sido explorada por entidades comerciales, así como las instituciones públicas, tales como Air Products and Chemicals, Inc y Sandia Nacional Laboratories. Además, un informe de Ford sugiere que, con la ingeniería adecuada, la seguridad de un vehículo de hidrógeno podría ser mejor que la de un vehículo de propano o gasolina.

9. PILA DE COMBUSTIBLE [4]

La pila de combustible, también conocida como celda o célula de combustible, es un dispositivo electroquímico que se alimenta con un flujo continuo de combustible (agente reductor) y un agente oxidante que se hacen reaccionar de forma controlada para obtener electricidad, y unos determinados productos. Dicha corriente eléctrica será suministrada a un circuito externo para su posterior uso. Tiene un funcionamiento similar al de una batería, contando con la siguiente diferencia; mientras las baterías tienen un límite de almacenamiento de energía, las pilas de combustible permiten el abastecimiento de los reactivos de forma continuada. Una pila de combustible suele tener un alto nivel de eficiencia, ya que no está limitado por un ciclo de Carnot (ej.: vehículo de combustión interna), y a su vez un nivel muy bajo de emisiones contaminantes, ya que no se produce la combustión de ninguno de los reactivos. Ésta es la principal atracción de su uso en los vehículos del futuro. En general, la eficiencia energética de una pila de combustible suele rondar entre el 40-60%, y puede llegar hasta un > 85%-90% en cogeneración, si se captura el calor residual para su uso. Existen diversos tipos de pilas de combustibles. Para explicar el funcionamiento básico de las mismas se utilizará como ejemplo una de las más comunes, la denominada PEM (de membrana de intercambio protónico, en inglés Proton Exchange Membrane). El dispositivo está formado por dos electrodos, que funcionan también como catalizadores de

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las reacciones de oxidación/reducción. En el ánodo se suministrará el agente reductor, en nuestro caso el hidrógeno. En el cátodo entrará el oxígeno de la atmósfera, el cual actuará como agente oxidante. Entre ambos se sitúa un electrolito, que funciona como aislante eléctrico, conductor protónico y separador de las reacciones que tienen lugar en el cátodo y en el ánodo. El electrolito permite el paso de los protones (H+) desde el ánodo al cátodo. Por otro lado, los electrones (e-) circularán por un circuito externo, dando lugar a una corriente eléctrica que será utilizada en nuestro motor eléctrico. En el cátodo, los electrones, protones y el comburente se reducen, dando lugar a los productos, en nuestro caso, vapor de agua (H2O).

Figura 15. Pila de combustible PEM [9]

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Los seis principales tipos de pilas de combustible son las siguientes: alcalina, con membrana de intercambio protónico, de metanol directo, de ácido fosfórico, de carbonato fundido y de óxido sólido. Más adelante se hará la elección de la pila que será utilizada en nuestro vehículo.

Figura 16. Tipos de pilas de combustibles [4]

10. MOTOR ELÉCTRICO [19]

Un motor eléctrico es un dispositivo que se encarga de transformar la energía eléctrica en energía mecánica. El motor está compuesto por un elemento fijo, llamado estator, y un elemento móvil, el rotor. La interacción de los campos magnéticos creados en las bobinas de ambos elementos dará lugar al giro del rotor. Los motores eléctricos pueden ser impulsados por fuentes de corriente continua (DC), y por fuentes de corriente alterna (AC). En nuestro caso la energía eléctrica recibida será la producida por nuestra pila de combustible que será una corriente continua.

Los motores eléctricos también pueden transformar la energía mecánica del rotor para producir energía eléctrica. En este caso estaría funcionando como generador. De esta manera el kart puede aprovechar la inercia del eje de las ruedas traseras para producir energía eléctrica que será almacenada en unas baterías (ultracondensadores) para ser aprovechada después en momentos que haya que alcanzar altas velocidades.

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Motor eléctrico DC

El estator se alimenta a CC y produce un campo Bexc(excitación)

El rotor se alimenta a CC y circula una corriente que produce un campo Bind(inducido)

Ambos campos están desfasados en el espacio 90º. Por el denominado “efecto brújula”, cuando dos campos magnéticos no están alineados, se produce un par que tiende a alinearlos, dando lugar al giro del rotor.

La ventaja del motor de DC es su facilidad para controlar la velocidad.

Motor eléctrico AC

El estator se alimenta con tensión alterna

El rotor tiene un campo (propio o inducido)

Ambos campos tienden a alinearse Se disponen 3 bobinas cuyos ejes magnéticos estén rotados en el

espacio 120º (eléctricos) unos de otros y se alimentan con 3 tensiones senoidales trifásicas equilibradas (separadas 120º en el tiempo). El campo magnético total resultante en todo instante es una distribución sinusoidal en el entrehierro de amplitud constante que gira a velocidad constante igual a la frecuencia de alimentación eléctrica.

A la inversa también es cierto. Un campo magnético distribuido

sinusoidalmente en el entrehierro de amplitud constante que gira a

velocidad constante. Inducirá en 3 bobinas cuyos ejes magnéticos

estén rotados en el espacio 120º(eléctricos) unos de otros, 3

tensiones senoidales trifásicas equilibradas (separadas 120º en el

tiempo). Así funcionará como generador.

Existen dos tipos de máquinas eléctricas que funcionan con corriente alterna. La síncrona y la asíncrona.

El control de velocidad de estos motores requiere electrónica de potencia.

11. ULTRACONDENSADORES [4]

Los condensadores son dispositivos electroquímicos que almacenan energía mediante la separación de las cargas eléctricas positivas y negativas. La estructura de un condensador consiste en dos conductores, conocidos como placas, separados por un material dieléctrico, que actúa de aislante. Las densidades de potencia de los condensadores convencionales son extremadamente altas (~1.012 W/m3), sin embargo, tienen una densidad energética muy baja (~50 W*h/m3). Estos condensadores convencionales son también conocidos como condensadores electrolíticos. Son ampliamente utilizados en circuitos eléctricos como elementos intermedios de almacenamiento de energía. Se utilizan para intervalos de

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tiempos muy pequeños en comparación con los dispositivos de almacenamiento de energía que han de servir como principal fuente para vehículos eléctricos. Los condensadores se describen en términos de capacitancia, que es directamente proporcional a la constante dieléctrica del material aislante e inversamente proporcional al espacio entre las dos placas conductoras. La capacitancia se mide como el cociente entre la magnitud de la carga entre las placas y la diferencia de potencial entre ellos (C = q / V). Los supercondensadores y ultracondensadores son derivados de los condensadores convencionales, donde la densidad de energía se ha aumentado a costa de disminuir la densidad de potencia para hacer que los dispositivos funcionen de forma similar a una batería. La densidad de potencia y densidad de energía de supercondensadores(y ultracondensadores) son del orden de 106W/m3 y 104 W*h/m3 respectivamente. La densidad energética es mucho menor que el de las baterías (entre 5 y 25*104 W*h/m3), pero los tiempos de descarga son más rápidos (110 s de los supercondensadores contra los ~5*103 s de las baterías). Además, tiene un ciclo de vida mucho más amplio (~105 frente a los 100-1000 de las baterías). Los supercondensadores contienen un electrolito que permite el almacenamiento de la carga electrostática en forma de iones. Las funciones internas en un supercondensador no implican reacción electroquímica. Los electrodos de los supercondensadores están hechos de carbono poroso con elevada superficie interna para ayudar a absorber los iones y proporcionar una densidad de carga mucho más alta que en un condensador convencional. Los iones se mueven mucho más despacio que los electrones, lo que permite mayor intervalo de tiempo para cargar y descargar en comparación con los condensadores electrolíticos. Los ultracondensadores son versiones de condensadores electrolíticos que utilizan sistemas electroquímicos para almacenar energía en una capa líquida polarizada en la interfaz entre un electrolito conductor de iones y un electrodo conductor de electrones. La capacidad de almacenamiento de energía se incrementa al aumentar el área de superficie de la interfaz, similar a la de un supercondensador. Las reacciones electroquímicas en ultracondensadoresestán limitadas a las capas superficiales y, por lo tanto, son completamente reversibles dando lugar a un ciclo de vida largo. Actualmente, se tiene el objetivo de desarrollar ultracondensadores con capacidades en el rango de 4000 W/kg y 15 Wh/kg. La posibilidad de utilizar supercondensadores y ultracondensadores como fuentes primarias de energía requiere aún muchos años, aunque es probable que éstos se puedan mejorar para proporcionar suficiente almacenamiento en los HEV (Vehículos híbridos). Por otro lado, supercondensadores y ultracondensadores con alta potencia específica son adecuados como un dispositivo de transferencia de energía intermedia en relación con las baterías o pilas de combustible en EV (Vehículos eléctricos) y HEV para proporcionar la demanda de potencia transitoria repentina, como por

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ejemplo durante la aceleración o subiendo una colina. Los dispositivos también se pueden utilizar de manera eficiente para captar y recuperar la energía durante la frenada.

Figura 17. Ultracondesadores Maxwell Technologies [11]

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ANEXO II: DISEÑO Y SIMULACIÓN

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1. DISEÑO DEL KART

Para el diseño del kart se han utilizado diversas referencias:

Para las medidas se ha tenido bastante en cuenta la reglamentación de competición de karting de la Real Federación Española de Automovilismo (RDFEA). A continuación, se presenta el enlace del reglamento técnico nacional aplicable a todos los campeonatos copas, trofeos y challenges de españa de karting 2016: https://www.rfeda.es/documents/20185/50795/KART-REGL+TEC-pdf/3afddcc9-eea349b9-8d46-3361f80f36b8

En cuanto al sistema de propulsión mediante hidrógeno se ha utilizado información del kart de hidrógeno desarrollado por el equipo de Unizartech2 en la competición Fórmula Zero.

Figura 18. Kart de hidrógeno del equipo Unizartech2 [11]

Por otro lado, también se ha tenido en cuenta el kart utilizado en el centro de ocio de Carlos Sainz (SODIKART Honda 270 cc) para el diseño y las medidas de seguridad.

Figura 19. Sodikart Honda 270 cc [12]

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2. EL KART

El tipo de kart que vamos a diseñar y estudiar en este proyecto será un kart monoplaza, compuesto por un motor eléctrico y que utilizará hidrógeno como fuente de combustible. Para ello dispondremos de una pila de combustible que será la encargada de transformar el hidrógeno en electricidad para el motor. A su vez analizaremos el uso de unos ultracondensadores a modo de batería para almacenar la electricidad sobrante producida durante el uso del kart. Nuestro kart tendrá como finalidad el uso en centros de ocio por lo que contará con un diseño concreto, utilizando la reglamentación de la competición de karting como principal referencia. Contará con mayores medidas de seguridad y comodidad para el público. Este kart irá dirigido a un público adulto. En un futuro se podría diseñar el modelo junior para los más jóvenes.

Figura 20. Diseño final Catia

Figura 21. Diseño final SE

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Figura 22. Diseño final (alzado)

Figura 23. Diseño final (perfil izquierdo)

2.1. CHASIS

El chasis es la estructura interna que da soporte y rigidez al kart. Se podría considerar el “esqueleto” del vehículo. Es la base y soporte de todos los elementos que componen el kart. El chasis estará formado por distintos tubos de diferentes diámetros. Dichos tubos estarán soldados entre ellos. El material utilizado será el acero debido a los grandes esfuerzos a los que va a estar sometido. No solo tendrá que soportar distintos esfuerzos a lo largo de la carrera, a su vez tendrá que soportar las vibraciones del kart debido a que no hay ningún sistema de suspensión.

Figura 24. Chasis (planta)

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Figura 25. Chasis (alzado)

Figura 26. Chasis (perfil izquierdo)

Material del chasis: El chasis será construido con tubos de acero 4130. Los aceros 41XX (aceros al cromo-molibdeno) son una familia de aceros microaleados de baja aleación y alta resistencia, según lo especificado por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SIA). Las concentraciones de los elementos aleados de estos aceros son Cr [0.40-1.20%], Mo [0.08-0.25%]. Estos aceros tienen una excelente fuerza al cociente de peso, tienen facilidad para ser soldados y son considerablemente más fuertes y más duros que la familia estándar 1020. A pesar de ser más pesados que las aleaciones de aluminio lo compensan con una alta resistencia a la tracción y una alta ductilidad. [13]

%Cr %Mo %C %Mn %P(máximo) %S(máximo) %Si

0,80 - 1,10

0,15 - 0,25

0,28 - 0,33

0,40 - 0,60

0,035 0,034 0,15 - 0,35

Tabla I. Composición acero 4130 [13]

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Propiedad Valor Unidades

Módulo elástico 2,05E+11 N/m^2

Coeficiente de Poisson 0,285 N/D

Módulo Cortante 8,00E+10 N/m^2

Densidad de masa 7850 kg/m^3

Límite de tracción 7,31E+07 N/m^2

Límite elástico 4,60E+08 N/m^2

Conductividad térmica 4,27E+01 W/(m·K)

Calor específico 4,77E+02 J/(kg·K)

Tabla II. Propiedades acero 4130 [13]

2.2. CARROCERÍA

La carrocería es el conjunto de elementos que se encargan de proteger el vehículo y al conductor contra cualquier tipo de colisión. El sistema de seguridad estará compuesto por distintas piezas, protegiendo la mayor parte del vehículo y aportando una determinada aerodinámica al mismo.

Figura 27. Carrocería

2.3. EJES DE PARACHOQUES

Los ejes del parachoques irán atornillados al chasis y se encargarán de soportar los parachoques y de amortiguar (en menor medida que los parachoques) los golpes recibidos.

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2.4. PARACHOQUES

El kart dispondrá de 5 parachoques. Uno frontal, uno trasero, dos laterales y la cubierta de la columna de dirección. Los parachoques serán los encargados de amortiguar los golpes recibidos por otros vehículos o al chocar contra los muros de contención. Deben estar fijados correctamente a los ejes para no separarse del vehículo en ningún momento de la carrera.

2.4.1. Parachoques frontal

El paragolpes frontal se encarga de la protección de una parte de las ruedas delanteras, de los pies del conductor, del tanque de hidrógeno y de cualquier tipo de golpe frontal. Se conecta al chasis a través de un eje de acero, el cual está ligado al chasis en 4 puntos.

Figura 28. Parachoques frontal

2.4.2. Parachoques laterales

Los parachoques laterales se encargan de proteger cualquier tipo de colisión lateral. El parachoques izquierdo cubrirá los ultracondensadores mientras el derecho se encargará de proteger la pila de combustible. Cada parachoques lateral estará unido a su eje mediante 4 tornillos y el eje se unirá al chasis en dos puntos del larguero lateral del chasis.

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Figura 29. Parachoques lateral

Figura 30. Eje parachoques lateral

2.4.3. Parachoques trasero

El paragolpes trasero se encarga de la protección de una parte de las ruedas traseras, del eje trasero, del motor eléctrico y de cualquier tipo de golpe trasero. Se conecta al chasis a través de un eje de acero, el cual está ligado al chasis en 2 puntos.

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Figura 31. Parachoques trasero

2.4.4. Parachoques exterior

El parachoques exterior es una seguridad extra propia de los karts de ocio. Con ella se pretende asegurar por completo que ningun elemento del vehículo sufra considerables golpes. Estos paragolpes ofrecen una proteccion de las ruedas que no es propio en los karts de competición. A su vez reduce el impacto que sufre el conductor haciendo la experiencia del karting más confortable para los aficionados a este deporte. El paragolpes exterior se acopla al resto de los paragolpes por diversas uniones atornilladas.

Figura 32. Parachoques exterior

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2.4.5. Cubierta columna de dirección

Es el sistema de seguridad encargado de proteger el eje de dirección y a su vez el tanque de hidrógeno. Estará unido al parachoques frontal y al chasis a través de 4 puntos de unión.

Figura 33. Cubierta de la columna de dirección

2.5. SISTEMA DE DIRECCIÓN

El sistema de dirección está formado por aquellos elementos encargados de controlar los giros del vehículo. Deben proporcionar la mayor comodidad posible para el conductor y a su vez transmitir el giro deseado de forma adecuada, dentro de las limitaciones del vehículo. Todos los elementos deben estar sujetos de tal forma que no pierdan su fijación con el uso del kart.

Figura 34. Sistema de dirección

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2.5.1. VOLANTE

Es el elemento que acciona directamente el conductor para realizar los giros necesarios. Deberá estar colocado a una altura adecuada y deberá proporcionar un buen agarre al conductor. Existen multitud de volantes, tanto en formas, como materiales, como dispositivos electrónicos utilizados en los mismos. Nuestro volante será completamente circular y no contará con ningún dispositivo electrónico. Estará hecho de acero y cubierto con una funda de goma para proporcionar un buen agarre al conductor.

Figura 35. Volante

2.5.2. EJE O COLUMNA DE DIRECCION

El eje de dirección será el elemento que se encarga de transformar el movimiento circular del volante en el movimiento lineal de las bielas. Debe estar atornillado adecuadamente al volante y tener una adecuada sensibilidad para el giro. En la parte inferior del eje se dispondrá un elemento que una el eje con el chasis permitiendo el libre giro del eje.

Figura 36. Columna de dirección

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2.5.3. BIELAS

Las bielas son las piezas que conectan la columna de dirección con las manguetas, transmitiendo el giro del volante a las ruedas.

Figura 37. Biela

2.5.4. MANGUETAS DE DIRECCION

Las manguetas de dirección son los elementos que van unidos a las ruedas

delanteras y permiten el giro de las mismas respecto de un punto fijo. El

movimiento rotatorio se obtiene del mecanismo de biela desde la columna

de dirección. Las manguetas estarán unidas a partir de unos tornillos con

las bielas para transmitir adecuadamente el giro. A su vez estarán ligadas al

chasis a través de las horquillas, permitiendo el giro de las manguetas.

Figura 38. Mangueta de dirección

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2.6. SISTEMA DE FRENADO

El sistema de frenado estará compuesto por los elementos encargados de la frenada del vehículo. Consistirá en un sistema de frenado hidráulico, accionado por el pedal de freno.

2.6.1. PEDAL DE FRENO

El pedal de freno será accionado por el pie izquierdo del conductor. Dicho pedal estará conectado al sistema de frenado a través de un cableado. Debe tener una determinada sensibilidad para facilitar la adecuada frenada del vehículo. A su vez debe acomodarse adecuadamente al pie del conductor de tal manera que pueda reposar el pie sin necesidad de accionarlo. Estará hecho de acero y constará de una funda de goma en la zona que se reposa el pie.

Figura 39. Pedales

2.6.2. DISTRIBUIDOR Y CABLEADO DEL FRENO

El distribuidor es el elemento que conecta el pedal del freno con la bomba de frenado y ésta con las pinzas de freno. Se trata de un mecanismo hidráulico accionado por el freno que se encarga de aumentar la presión de las dos pastillas de freno y reducir así la velocidad del kart.

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2.6.3. PINZAS DE FRENO Y PASTILLAS

Las pinzas de freno son los dispositivos que se encargan de frenar el giro de los discos de freno, y este a su vez el giro del eje trasero dando lugar a una reducción de la velocidad del vehículo. Dichas pinzas estarán atornilladas a los soportes que sujetan al eje trasero. Las pinzas tienen un funcionamiento hidráulico.

Figura 40. Pastilla de freno

2.6.4. DISCOS DE FRENO

El disco de freno estará fijo al eje de las ruedas traseras a través del portadiscos. Dicho disco estará sometido a las pastillas de freno para reducir la velocidad del vehículo. Dispone de numerosos agujeros para su refrigeración.

Figura 41. Disco de freno

2.7. SISTEMA DE SUSPENSIÓN

Los karts de competición no disponen de ningún tipo de sistema de suspensión debido a la normativa y por tanto el nuestro no lo tendrá.

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2.8. PEDAL DEL ACELERADOR

El pedal derecho será el pedal del acelerador. Dicho pedal se encargará de accionar un sistema de control que proporcionará el hidrógeno necesario para la pila de combustible, produciendo la electricidad requerida para accionar el motor. A mayor presión del pedal mayor será la velocidad adquirida por el vehículo. El pedal volverá a su posición inicial gracias a un muelle que estará unida a la bandeja delantera. Tendrá un tope que está unido a la parte frontal del chasis. El pedal estará hecho de acero y en la parte horizontal, en la cual se posa el pie, existirá una funda de goma para un mayor agarre.

Figura 42. Muelles

2.9. ASIENTO

El asiento será el lugar en el que se coloque el conductor. Tiene un diseño particular, con un respaldo considerable para proporcionar la mayor comodidad en toda la región de la espalda. El tamaño del asiento se ha elegido teniendo en cuenta mis medidas ya que es un diseño especial. En el futuro habría que tener en cuenta la media de la población. Debe mantener el cuerpo del piloto perfectamente sujeto de la espalda y zona lumbar para evitar lesiones. A su vez tiene que permitir una buena sujeción del conductor en los pasos de curva. El piloto deberá estar acomodado de tal forma que pueda mover el volante con comodidad, flexionando un poco los brazos. De igual manera tendrá que llegar cómodamente a los pedales pudiendo accionarlos hasta el máximo. El asiento irá sujeto a la bandeja central mediante 4 uniones atornilladas en la zona inferior del asiento y a su vez tendrá otra unión atornillada en la parte posterior. Con estas uniones se pretende conseguir una sujeción fuerte y segura entre el chasis y el asiento.

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El material utilizado para el asiento será la fibra de vidrio, material comúnmente utilizado en competición. Dicho material es fácil de manipular en caso de reparación o modificación. El asiento contará con dos cinturones de seguridad de dos puntos. En los laterales del asiento se dispondrán los dos anclajes mientras que las hebillas estarán localizadas en el chasis.

Figura 43. Asiento (1)

Figura 44. Asiento (2)

2.10. EJE TRASERO

El eje trasero será el encargado de proporcionar la tracción del vehículo. La tracción del motor será transmitida a través de la corona del eje trasero que

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estará ligada al motor a partir de una cadena (o correa). Se atornilla al bastidor por medio de dos soportes para los puntos de apoyo, con los rodamientos adecuados para permitir un buen giro del eje. Dichos rodamientos deben cumplir perfectamente su función porque si no se perderá la transmisión del motor, dando lugar a una pérdida de velocidad.

El eje trasero contará a su vez con dos discos de freno, los cuales se encargarán de todo el esfuerzo de frenado del vehículo. Dichos discos estarán sujetos al eje con un portadiscos cada uno.

En los extremos del eje se encontrarán los bujes que se encargarán de unir las ruedas traseras (y sus respectivas llantas) al eje. Debe estar alineado correctamente el eje para no producir un daño en las ruedas y un empeoramiento en la conducción del kart.

Figura 45. Eje trasero

Figura 46. Soporte del eje trasero

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2.11. BANDEJAS

Se dispondrán de tres bandejas que serán atornilladas al chasis. Dichas bandejas se encargarán de soportar los diferentes elementos del vehículo.

Bandeja frontal: se encargará de numerosas tareas:

- Soportar la parte inferior del tanque de hidrógeno. - Sujetar el muelle de retención de los pedales. - Evitar el contacto de las piernas del conductor con el suelo.

Figura 47. Bandeja frontal

Bandeja central: su principal función será la de soportar el asiento del piloto a través de 4 puntos de conexión.

Figura 48. Bandeja central

61

Bandeja trasera: se encargará de soportar el motor eléctrico.

Figura 49. Bandeja trasera (con motor eléctrico)

2.12. ELEMENTOS DE RODADURA

El motor del kart induce una determinada potencia a los elementos de la cadena de transmisión (piñón, cadena, eje trasero, etc.). Los elementos de rodadura son los encargados de transmitir esta potencia al terreno y conseguir que el vehículo se desplace.

2.12.1. BUJES

Los bujes son los elementos que unen las llantas de las ruedas traseras con el eje trasero, transmitiendo así el giro del motor a las ruedas.

Figura 50. Buje

62

2.12.2. LLANTAS

Las llantas se situarán en el interior de los ejes de las ruedas. Se diferenciarán las llantas traseras de las delanteras. Llantas delanteras: irán en el interior de las ruedas delanteras y se encargarán de la unión entre las ruedas y los rodamientos de las manguetas de dirección.

Figura 51. Llanta delantera

Llantas traseras: irán en el interior de las ruedas traseras y se atornillarán a los bujes traseros para aportar la transmisión del eje trasero.

Figura 52. Llanta trasera

63

2.12.3. RODAMIENTOS

Los rodamientos son elementos que permiten el giro por su diámetro exterior mientras se mantienen fijos al eje introducido en el diámetro interior. Se disponen 4 a lo largo del kart. Dos para las manguetas de dirección permitiendo el giro de las ruedas delanteras y dos en el interior del soporte del eje trasero.

Figura 53. Rodamiento

2.13. NEUMÁTICOS

El kart dispondrá de 4 ruedas. Dos delanteras y dos traseras. Todas ellas deberán estar en contacto continuo con el suelo y estar con una presión adecuada. A su vez deberán estar unidas correctamente a sus respectivas llantas para que no se suelten en ningún momento de la carrera. Existen numerosos modelos de ruedas y optamos por elegir unas que no tienen marcas. Ruedas delanteras: Las ruedas delanteras tan solo se encargarán de controlar la dirección del vehículo sin aportar tracción alguna. Dichas ruedas irán conectadas al chasis a través de las manguetas de dirección.

Figura 54. Rueda delantera

64

Ruedas traseras: al contrario de las ruedas delanteras, sólo aportarán la tracción del vehículo sin tomar parte en el sistema de dirección del vehículo. Las ruedas traseras irán conectadas al eje trasero.

Figura 55. Rueda trasera

3. SELECCIÓN DE ELEMENTOS

A continuación, se presentará la elección de los elementos fundamentales que diferencian este kart de los demás karts de competición. Nos hemos puesto como objetivo diseñar un vehículo que tenga al menos 10 cv de potencia (7,5 kW), ya que el kart honda 280 cc del centro de ocio de Carlos Sainz es de 9.5 cv, el cual usaremos como referencia. Para ello escogeremos un motor eléctrico que nos proporcione dicha potencia. En consecuencia elegiremos la pila de combustible capaz de proporcionarnos el voltaje y la corriente suficiente para alimentar al motor. Posteriormente elegiremos el tamaño del tanque de hidrógeno que alimentará nuestra pila y, por último, los ultracondensadores que funcionarán a modo de batería para almacenar la electricidad sobrante para utilizarla en los picos de velocidad.

3.1. MOTOR ELÉCTRICO

El motor eléctrico seleccionado será un motor sin escobillas de corriente

continua modelo HPM5000B.

Características del motor:

Voltaje: 48 V

Potencia nominal: 5 KW

Rendimiento: 91%

Velocidad máxima: 5000 rpm

Peso: 11 kgs de la carcasa (Aluminio)

65

Longitud (altura): 126 mm

Diámetro: 206 mm

Resistente al agua

Ventilador de refrigeración

Aplicaciones: coche eléctrico, motocicleta eléctrica, triciclo eléctrico,

carros de golf eléctricos, ascensor tenedor, barco eléctrico, etc

Para más información sobre el motor consultar el siguiente enlace:

http://www.goldenmotor.com/frame-bldcmotor.htm

Figura 56. Motor eléctrico (perfil derecho) [14]

Figura 57. Motor eléctrico (alzado) [14]

66

Figura 58. Motor eléctrico (1)

Figura 59. Motor eléctrico (2) En la siguiente imagen se muestra la conexión entre el motor y el sistema de control. Para nuestro kart se pedirá un control especializado pues el que viene en el kit original sólo utiliza la electricidad almacenada en la batería. En nuestro vehículo la electricidad será proporcionada tanto por la pila como por los ultracondensadores cuando estes hayan almacenado una suficiente cantidad de energía y sea necesaria para alcanzar picos de velocidad.

67

Figura 60. Instalación del motor eléctrico [14]

3.2. PILA DE COMBUSTIBLE

En cuanto al funcionamiento de la pila ya quedó explicado en la introducción del proyecto. Se ha escogido este modelo pues cumple con los requisitos necesarios para alimentar nuestro motor eléctrico de manera eficaz. A su vez hemos conseguido obtener todas sus características por lo que facilita su información. Tal como indican sus características es un modelo de pila que está preparado para vehículos y que tiene una larga vida de uso. Se encuentran varios modelos en caso de que se quiera aumentar o disminuir la potencia de nuestro motor en el caso de que se comercialicen karts de hidrógeno para niños, los cuales tendrán menos potencia. Características principales HyPM HD 8:

Máxima potencia: 8.5 kW

Rango de tensiones: 48 – 79 VDC

Corriente máxima: 180 A

Pico de eficiencia: 50%

Peso: 75 kg

Tiempo de vida: >3000 horas

Dimensiones: 85x36x25 cm

Ruido: <75 dB

Para saber más sobre las características de la pila de combustible: http://pdf.directindustry.es/pdf-en/hydrogenics/hypm-power-module-brochure/33492-75120.html

68

Figura 61. Pila de combustible HyPM HD [15]

Figura 62. Pila de combustible

69

3.3. TANQUE DE HIDRÓGENO [16]

El tanque de hidrógeno será el dispositivo de almacenamiento de nuestro combustible. Se almacenará el hidrógeno en estado gaseoso puesto que como hemos explicado anteriormente es la forma más económica y viable. El tanque se situará por encima de la columna de dirección e irá fuertemente sujeto al chasis a partir de un sistema de anclajes. A su vez tendrá una retención en la parte inferior que estará en contacto con la bandeja delantera y una limitación superior para no ascender en la dirección del volante. El tanque de hidrógeno estará conectado al sistema de administración, que será regulado por el acelerador, proporcionando el hidrógeno necesario hacia la pila de combustible. La bombona de hidrógeno escogida será la botella de CompositeDräger. Se ha escogido esta botella pues el hidrógeno que se utiliza en estos tipos de vehículos suele rondar los 350 bares. A su vez tiene un tamaño adecuado para incorporarlo a nuestro kart y consta de otras interesantes prestaciones en lo referente a seguridad y tiempo de vida útil. Sus principales características son:

- Primera botella Dräger con una vida útil de 30 años. - Única de 8 litros. La primera del mercado. - Bajo coste de mantenimiento. - 30 minutos de aire a 50 litros/min. - Presión de funcionamiento 30 bar. - Cumple los requisitos de la EN 12245 y la 97/23/CE.

Figura 63. Tanque de hidrógeno Dräger [16]

70

Figura 64. Tanque de hidrógeno

Para más información sobre el tanque de hidrógeno entrar en: http://www.draeger.com/sites/assets/PublishingImages/Products/cre_cylinders/ES/compressed_air_cylinders_pi_es.pdf

3.4. ULTRACONDENSADORES [17]

Como se comentó al principio del proyecto, se dispondrá de un conjunto de ultracondensadores en la zona lateral del vehículo que se encargarán de almacenar energía eléctrica sobrante, producida durante la frenada del vehículo principalmente para ser utilizada posteriormente en los picos de velocidad del circuito. Los ultracondensadores elegidos para nuestro vehículo serán la serie de módulos ultracondensadores de 56 V de Maxwell Technologies. Proporciona energía durante las caídas en la fuente de alimentación principal. En los cortes de más largo plazo, los módulos proporcionan energía de transición a una fuente de respaldo a largo plazo, tal como un motor - generador o pila de combustible Los módulos pueden durar hasta 15 años en fuentes de emergencia, para aplicaciones ocasionales de uso. Están diseñados para encajar en los sistemas de rack estándar con hasta 10 KW (15 segundos) de altura 4U. Dos módulos pueden caber en un bastidor de 19 pulgadas, mientras que tres pueden caber en un rack de 23 pulgadas. Los módulos de ultracondensadores Maxwell reemplazan las baterías de manera efectiva en estas aplicaciones. No necesitan mantenimiento durante 14 años y no son tóxicos. El sistema de equilibrado pasivo incorporado no requiere monitoreo. Una alarma de sobretensión opcional está disponible, pero no es necesario.

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Figura 65. Ultracondensadores Maxwell módulo 56 V [17]

Figura 66. Ultracondensadores

4. ANÁLISIS ECONÓMICO

4.1. COMERCIALIZACIÓN

En este apartado, se analizará la inversión que habría que realizar para producir un kart de ocio que funcione con hidrógeno. Algunos de los elementos diseñados tienen unas características únicas por lo que se hará una estimación de los precios con elementos similares que podamos encontrar en el mercado. Otros elementos no podemos conocer su precio puesto que las empresas que los proporcionan necesitan que se realice un pedido a través de una empresa.

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UNIDADES PRECIO

UNIDAD(€)

CHASIS 1 -

CARROCERIA

EJE PARAGOLPES DELANTERO

1 45

EJE PARAGOLPES LATERAL 2 60

PARAGOLPES FRONTAL 1 51

PARAGOLPES LATERAL 2 39

PARAGOLPES TRASERO 1 85

PARAGOLPES SUPERIOR 1 16

SISTEMA DE FRENADO

BOMBA DE FRENADO 1 210

DISTRIBUIDOR Y CABLEADO 1 25

PINZA DE FRENO Y PASTILLAS

2 220

DISCO DE FRENO 2 140

ASIENTO 1 110

REPOSA CABEZA 1 20

ELEMENTOS DE DIRECCIÓN

VOLANTE 1 110

SOPORTE DEL VOLANTE 1 33

COLUMNA DE DIRECCION 1 45

BIELAS 2 13

MANGUETAS DE DIRECCION 2 60

BANDEJAS

BANDEJA DELANTERA 1 52

BANDEJA CENTRAL 1 30

BANDEJA TRASERA 1 30

KIT DE PEDALES 2 38

ELEMENTOS DE RODADURA

BUJES 2 54

RODAMIENTOS DELANTEROS

2 20

RODAMIENTOS TRASEROS 2 22

LLANTAS DELANTERAS 2 50

LLANTAS TRASERAS 2 70

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NEUMÁTICOS DELANTEROS 2 70

NEUMÁTICOS TRASEROS 2 80

PILA DE COMBUSTIBLE 1 -

MOTOR ELÉCTRICO 1 380

ULTRACONDENSADORES 1 -

TANQUE HIDRÓGENO -

Tabla III. Valor de las piezas [18]

5. ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL CHASIS

A continuación, se utilizará el programa Catia 5.0 para realizar simulaciones del chasis ante posibles esfuerzos a lo largo de una carrera. Volvemos a recordar las características del acero elegido para el chasis.

Propiedad Valor Unidades

Módulo elástico 2,05E+11 N/m^2

Coeficiente de Poisson 0,285 N/D

Módulo Cortante 8,00E+10 N/m^2

Densidad de masa 7850 kg/m^3

Límite de tracción 7,31E+07 N/m^2

Límite elástico 4,60E+08 N/m^2

Conductividad térmica 4,27E+01 W/(m·K)

Calor específico 4,77E+02 J/(kg·K)

Tabla II. Propiedades acero 4130 [13]

Para la simulación del chasis nos quedaremos con los elementos que más van a sufrir en mayor medida los esfuerzos, por lo tanto, eliminaremos distintas partes auxiliares del chasis dejando para el estudio el siguiente modelo.

74

Figura 67. Chasis para simulación

Elementos de estudio:

- Chasis tubular. - Soporte del eje trasero.

Elementos eliminados:

- Horquillas (soporte de las manguetas de dirección) - Elementos auxiliares para la sujeción de las bandejas, el reposa

cabezas y el asiento. - Los agujeros del soporte del eje trasero. - Las hebillas de los cinturones.

75

Figura 68. Partes chasis simulación

Marca 1: Soporte del paragolpes delantero

Marca 2: Tubo frontal

Marca 3: Soportesdel tanque de hidrógeno

Marca 4: Soportes del protector de la columna de dirección.

Marca 5: Punto de unión con las horquillas de las ruedas delanteras

Marca 6: Soporta de los paragolpes laterales

Marca 7: Larguero lateral derecho

Marca 8: Larguero lateral izquierdo

Marca 9: Soporte inferior del asiento y del motor elétrico

Marca 10: Soporte de la columna de dirección.

Marca 11: Soportes del respaldo del asiento

Marca 12: Soporte del eje trasero

Marca 13: Soportes del paragolpes trasero

Marca 14: Soporte de la pletina del respaldo del asiento

Para estas simulaciones se procederá a realizar el mallado de la pieza a estudiar. Se determinarán los esfuerzos y los desplazamientos del mismo a partir del método de elementos finitos. Las características de nuestra malla serán las siguientes: Tamaño de malla: 5 mm Tipo de malla: tetraédrica lineal Tolerancia. 0,5

1 5

8

12

11

14

4

6

2

9

3

7

13

10

Z

x y

76

Figura 69. Mallado del chasis

1ª SIMULACIÓN: RESISTENCIA DEL CHASIS EN

PARADO Para realizar la simulación de una manera más asequible hemos asumido que los esfuerzos que observará el chasis serán cargas distribuidas a lo largo de determinados tubos. Para el cálculo de las cargas se han recogido los pesos de los elementos más pesados del vehículo y se han tenido en cuenta sus localizaciones. Tomando g= 9,8 m/s2 Hipótesis:

- Consideramos fijos los elementos ligados a las ruedas, puesto que son los que van a soportar el peso tanto del piloto como de los elementos incorporados al vehículo. Por lo tanto, habrá empotramientos en las marcas 5 y 12.

- Se supondrá que el peso del parachoques exterior se dividirá en 4 partes. La delantera (15% del peso total), la trasera (25%) y las dos laterales (30% cada lado). Peso total aproximadamente 15 kg. (147 N)

- El peso del paragolpes delantero (aprox. 11kg) sobre la marca 1. El peso del paragolpes se dividirá entre los dos soportes. Fz= -(108+0,15*147)/2=-65N

- El peso de los pies sobre la marca 2 lo consideramos despreciable. Todo el peso del conductor estará centrado en el asiento.

- Sobre la marca número 3 actuará una carga debida al peso de la bombona de hidrógeno (5,55 kg). Se repartirá el peso entre los dos soportes. Fz= -54,4/2= -27,2 N

77

- En la marca número 4 actuará el peso de la protección de la columna de dirección (aprox 3 kg). Se dividirá la carga entre los dos apoyos. Fz= -29,4/2 =-14,7N

- La marca 6 estará sometida al peso del paragolpes lateral (aprox. 9,5 kg) sobre la marca 1. El peso del paragolpes se dividirá entre los dos soportes. Fz= -(93+0,60*147)/2 = -90,6N

- Sobre los dos últimos tramos del larguero lateral derecho (marca 7) incidirá el peso de la pila de combustible (60 kg). Fz= - 588N

- Por el otro lado, sobre los dos últimos tramos del larguero lateral izquierdo en la (marca 8), habrá una carga debida al peso de los ultracondensadores (18 kg). Fz= - 176,4N

- En las barras de la marca 9 tendremos en cuenta el peso del asiento (4 kg), el del piloto (75 kg), el motor eléctrico (11 kg) y las bandejas central y trasera (1,5 kg y 1 kg respectivamente). Toda esta carga se dividirá entre los dos tubos. Fz= -906,5/2=- 453,3N

- En la marca 10 habrá una carga debida al peso de la columna de dirección y el volante (0,6 kg y 1,2 kg respectivamente). Fz= -17,6 N

- Para el caso en estático suponemos que las cargas las marcas 11, y 14 son despreciables.

- Por último, sobre la marca 13 recaerá el peso del paragolpes trasero (9 kg). Al igual que con los otros paragolpes, la carga se divide entre los dos soportes. Fz= -(88,2+0,25*147)/2 = -62,5 N

Restricciones en la malla:

Figura 70. Restricciones chasis 1ª Simulación

78

Cargas:

Figura 71. Cargas 1ª Simulación Von Misses: Se aprecia que los puntos de mayor esfuerzo son los cercanos a los soportes del eje trasero. Los largueros laterales son los tubos que más esfuerzos soportan. El larguero derecho soporta una carga mayor debido al gran peso de la pila de combustible.

Figura 72. Von Misses 1ª Simulación

79

Detalle del punto más crítico: 62,5 MPa. Muy inferior al límite elástico (460 MPa). Como decíamos el punto más crítico está en el larguero derecho debido al peso de la pila de combustible.

Figura 73. Punto crítico 1ª Simulación Desplazamientos: El mayor desplazamiento será de 0,875 mm hacia abajo en la parte superior del reposa cabezas. Es un valor normal. Tiene sentido ya que es el punto más alejado de los empotramientos.

Figura 74. Desplazamientos 1ª Simulación

80

2ª SIMULACIÓN: RESISTENCIA CON ACELERACIÓN DE

MÁXIMA Para este caso se estimará que la aceleración máxima alcanzada por nuestro kart será de 5 m/s2. Este valor es más propio para un kart de competición por lo que se excederá de una situación real en un karting de ocio. Además de los pesos que calculamos con el coche en reposo aparecerán nuevas cargas en el eje x de valor F=m*a (Siendo “m” la masa del elemento a estudiar y “a” la aceleración del kart). Hipótesis:

- Consideramos fijos los elementos ligados a las ruedas, puesto que las 4 ruedas están en contacto con el suelo. Por lo tanto, habrá empotramientos en las marcas 5 y 12.

- Se supondrá que la fuerza del parachoques exterior incidirá en su totalidad en la parte delantera del kart por lo que se lo sumaremos a la carga del parachoques delantero en la marca 1.

- Marca 1: Fz= -(108+0,15*147)/2=- 65NFx= (11+15)*5/2 = 65 N - Marca 2: Despreciable - Marca 3: Fz= -54,4/2= -27,2 N Fx= 5,55*5/2= 13,9 N - Marca 4: Fz= -29,4/2 = -14,7N Fx= 3*5/2 = 7,5 N - Marca 6: Fz= -(93+0,60*147)/2 = -90,5 N Fx= 9,5*5/2 = 23,8 N - Marca 7: (Sobre los dos últimos tramos del larguero lateral derecho)

Fz= - 588 N Fx= 60*5 = 300 N - Marca 8: (Sobre los dos últimos tramos del larguero lateral izquierdo)

Fz= - 176,4 N Fx= 18*5 = 90 N - Marca 9: Supondremos que toda la carga en el eje x por parte del

asiento y el conductor los absorben las marcas 11 y 14. Solo tendremos en cuenta el motor y las bandejas sobre los soportes de la marca 9. Fz= -907/2=- 453,5NFx= (11+1,5+1)*5/2 = 33,8 N

- Marca 10: habrá una carga debida al peso de la columna de dirección y el volante (0,6 kg y 1,2 kg respectivamente).Fz= -17,6 N Fx= 1,8*5 = 9 N

- Marcas 11 y 14: Se reparten las cargas del conductor y el asiento por igual. Fx= (4+75)*5/2 = 197,5 N

- Marca 13: Fz= -(88,2+0,25*147)/2 = - 62,5 N Fx= 9*5/2 = 22,5 N

81

Figura 75. Cargas 2ª Simulación Von Misses: Se aprecia que además de los esfuerzos cercanos a los soportes del eje trasero, existen grandes esfuerzos en la parte inferior de los soportes del asiento. Tiene sentido puesto que el peso del piloto está siendo soportando en esas uniones.

Figura 76. Von Misses 2ª Simulación

82

Detalle del punto más crítico: 78,4 MPa. Muy inferior al límite elástico (460 MPa). Los puntos más críticos aparecen en los soportes del eje del asiento. Ligeramente superior en la zona de la izquierda que el de la derecha.

Figura 77. Puntos críticos 2ª Simulación

Figura 78. Detalle 2ª Simulación

83

Desplazamientos: El mayor desplazamiento será de 2,8 mm hacia abajo en la parte superior del reposa cabezas. Se aprecia que apenas hay desplazamiento hacia abajo en gran parte del vehículo, tan solo en la zona del reposa cabezas.

Figura 79. Desplazamientos 2ª Simulación

3ª SIMULACIÓN: IMPACTO FRONTAL En este caso el chasis se pondrá a prueba ante una de las situaciones más peligrosas en un karting. Se simulará la colisión del coche contra un muro de contención con una aceleración de 5 m/s2. Las cargas que habrán serán las mismas que en el caso 2 pero ahora añadiendo una carga de 1 kN en el eje X y aplicado en la marca 1 (soporte del parachoques delantero).

Figura 80. Cargas 3ª Simulación

84

Von Misses: Se aprecia que los puntos de mayor esfuerzo son los cercanos a las horquillas de las ruedas delanteras. Este es uno de los límites de estudio de esfuerzos sobre el chasis y aun así seguimos teniendo un factor de seguridad elevado (107 Mpa< 470 MPa). Las secciones de los largueros laterales y de la parte inferior del respaldo trasero no sufren mucho el golpe recibido. Se concentra casi todo en la parte frontal.

Figura 81. Von Misses 3ª Simulación Detalle del punto más crítico:

Figura 82. Punto crítico 3ª Simulación

85

Desplazamientos: El mayor desplazamiento será de 2,86 mm hacia abajo en la parte superior del reposa cabezas. Sin embargo, ahora podemos apreciar una gran sección desplazada en la parte frontal del chasis.

Figura 83. Desplazamientos 3ª Simulación

4ª SIMULACIÓN: IMPACTO LATERAL Para este caso se simulará la posible colisión de un kart contra otro por uno de los laterales. Se repite el caso para a=5 m/s2. Las cargas que habrán serán las mismas que en el caso 2 y 3 pero ahora añadiendo una carga de 0,8kN (se estima que el golpe no será tan grave como el del caso anterior) en el eje Y aplicado en la marca 6 (soporte del parachoques lateral).

Figura 84. Cargas 4ª Simulación

86

Von Misses: En esta situación apenas se aprecia la diferencia con la situación del caso 2. Esto se debe a que la carga se distribuye por una sección muy larga y rígida.

Figura 85. Von Misses 4ª Simulación Detalle del punto más crítico:

Figura 86. Punto crítico 4ª Simulación

87

Desplazamientos: Similares al caso 2. Máximo desplazamiento como siempre en la parte superior de valor 2,81 mm.

Figura 87. Desplazamientos 4ª Simulación

5ª SIMULACIÓN: PASO POR UN PIANO Para este caso se simulará la conducción del kart pasando con sus dos ruedas de la izquierda por encima de un piano. Se repite el caso para a=5 m/s2. Las cargas que habrá serán las mismas que en el caso 2 y 3 pero ahora existirán dos fuerzas donde estaban los empotramientos emulando las reacciones debidas al piano. El valor de estas fuerzas será de 700 N en el eje Z positivo.

Figura 88. Restricciones chasis 5ª Simulación

88

Restricciones:

Figura 89. Cargas 5ª Simulación Von Misses:

Figura 90. Von Misses 5ª Simulación

89

Detalle: Se comprueba que los puntos más críticos son el punto cercano al soporte del asiento en el lado derecho y como era de esperar existe un gran esfuerzo en la unión con las horquilla derecha.

Figura 91. Puntos críticos 5ª Simulación Desplazamientos: El mayor desplazamiento será de 4,7 mm de nuevo en el reposa cabezas. Todo el lateral izquierdo sufre un desplazamiento en la dirección Y debido al ascenso producido por el piano.

Figura 92. Desplazamientos 5ª Simulación

90

6. CONCLUSIONES En primer lugar, destacar lo cerca que está el fin de los recursos fósiles en la Tierra. Cada vez va aumentando más y más la población mundial y uno de los mayores consumos que hay a nivel global es el del petróleo. El sector automovilístico es uno de los más grandes e importantes sectores y que va muy relacionado con el medio ambiente. Es por ello que los ingenieros de hoy en día tienen que hacer un gran hincapié en buscar fuentes alternativas y renovables para solucionar una de las grandes demandas a día de hoy. Ya no solo por el propio planeta, sino por la gran dependencia que hay de los medios de transporte de combustión interna. El sector del karting es una de las formas en las que se pueden probar dichas fuentes renovables con un menor coste que los vehículos de turismo. Es por ello que la aplicación de las nuevas tecnologías en los karts favorece la atracción de los inversores para apostar por dichas fuentes. En segundo lugar, comentar la gran potencia de los programas de CAD, tanto del Catia v5 como del Solid Edge. Son herramientas fundamentales en cualquier sector industrial. Son programas que, llegando a dominar, se pueden obtener resultados muy cercanos a la realidad. Es cierto que en el caso de este proyecto se ha conseguido realizar un buen diseño del kart, sobre todo gracias a las referencias encontradas en la red y a los apuntes y al profesorado de ICAI. Posiblemente se podría haber mejorado aún más el apartado estético con un programa como Keyshot debido a la escasez de colores de Solid Edge. Aun así, se ha conseguido obtener un colorido modelo. En cuanto al análisis estructural del chasis, se han tenido que realizar hipótesis mucho más alejadas de la realidad, tanto por falta de conocimientos como de tiempo. En un conjunto hay que tener en cuenta la relación entre las distintas piezas del conjunto y en el caso de las simulaciones realizadas no existirán sólo cargas distribuidas a lo largo de las barras, también habrá cargas puntuales, momentos flectores,etc... Cabe decir que a pesar de no acercarse es un buen comienzo para el diseño y análisis del chasis. En caso de que fueran hipótesis aceptables, se aprecia claramente que el chasis soporta de sobra cualquier estudio con un gran coeficiente de seguridad. Esto indica que se pueden hacer una gran optimización en cuanto a su masa y, por consiguiente, a su coste. Para ello sería recomendable un programa como Ansys. En lo referente al estudio económico no se ha podido realizar un completo análisis puesto que las piezas que son características del kart exigían la compra por parte de una empresa para conocer los precios. En caso de tenerlos se podría haber realizado una buena comparativa con los karts que se usan hoy en día en los circuitos de ocio. A su vez no ha sido posible comparar el consumo de un kart funcionando con hidrógeno. Sería un estudio bastante interesante comparar el gasto debido al combustible. Otro análisis que interesaría bastante sería el ahorro de contaminación gracias a estos vehículos.

91

Por último, un resultado positivo ha sido encontrar una buena pila de combustible, un adecuado tanque de hidrógeno, un motor eléctrico que es apropiado para este tipo de vehículos y por último una serie de ultracondensadores compatible con el resto de elementos. Con más tiempo, conocimientos y personas se puede llevar a cabo un buen diseño como el del equipo aragonés en la competición de Fórmula Zero. Lo que es seguro es que en pocos años seremos testigos de esta tecnología en los vehículos de turismo.

7. INNOVACIONES FUTURAS

- Diseño de un modelo junior para los niños de categoría juvenil. - Diseño del kart en otros colores. - Mejora y optimización del sistema de seguridad y del peso del chasis a

través de otros programas (como por ejemplo Ansys). - Estudio de combinaciones entre pilas y motores para mejorar las

prestaciones del kart. - Estudio de viabilidad de cambiar distintas piezas con objetivo de reducir

el precio del kart. - Estudio de otras simulaciones en pista o mejor desarrollo en los tipos de

esfuerzos que suponemos sobre el chasis.

92

BIBLIOGRAFÍA [1]: “Kart Sodi GT”: http://www.kartingcordoba.com/img/kart.png

[2]: “Karting outdoor”: http://www.gardalake.com/wp-

content/uploads/2012/05/south-garda-karting-3.jpg

[3]: “Karting indoor”: http://www.multiaventurapark.com/wp-content/gallery/las-rozas-de-madrid/karting-las-rozas.jpg [4]: Modern Electric, Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles. Fundamentals, Theory, and Desing (Second Edition) // Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Ali Emadi. [5]: “Planta de reformado con vapor”: http://www.linde-

engineering.co/internet.le.le.col/es/images/ID24604_433x270150_17580.jpg?v=

2.0

[6]: “Electrólisis del agua”: http://www.educaycrea.com/wp-

content/uploads/2013/05/electrolisis-agua.jpg

[7]: “Audi A7 Sportback h-tron quatrro”:

http://www.diariomotor.com/tecmovia/imagenes/2014/11/posts/audi-a7-h-tron-201114-

1024-06.jpg

[8]: “Tanque externo de hidrógeno de un transbordador espacial”:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a5/Externaltank.jpg/3

00px-Externaltank.jpg

[9]: “Pila de combustible PEM”: https://quimica-biologia-12-

13.wikispaces.com/file/view/pilas_img1.jpg/382409452/601x353/pilas_img1.jpg

[10]: “Ultracondesadores Maxwell Technologies”:

http://www.maxwell.com/images/products/Maxwell_Portfolio_Shot_new_June_2

015.png

[11]: “Kart de hidrógeno del equipo Unizartech2”:

http://estaticos01.elmundo.es/elmundomotor/imagenes/2008/04/11/1207933578

_extras_noticia_1_0.jpg

[12]: “Sodikart Honda 270 cc”: http://deportes-aventura.es/wp-content/uploads/2013/05/karts-1024x689.jpg

93

[13]: Trabajo Fin de Grado de la Universidad de Zaragoza del curso 2013-2014

“Diseño y análisis de un vehículo tipo kart”

[14]: “Motor eléctrico Sin escobillas DC 5 KW“: http://www.goldenmotor.com/frame-bldcmotor.htm [15]: “Pila de combustible HyPM HD”: http://img.directindustry.com/images_di/photo-m2/fuel-cells-for-the-automotive-industry-33492-2412467.jpg [16]: “Tanque de hidrógeno Dräger”: http://www.draeger.com/sites/assets/PublishingImages/Products/cre_cylinders/ES/compressed_air_cylinders_pi_es.pdf [17]: “Ultracondensadores Maxwell módulo 56 V”: http://www.maxwell.com/images/documents/56vmodule_ds_1017119-3.pdf [18]: “OTK Kart Parts”: http://www.sportkart.es/images/catalogo.pdf [19]: “Apuntes de ICAI de la asignatura de Máquinas Eléctricas”

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ANEXO III: PLANOS

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