DISEÑO Y ANÁLISIS DE UN KART CON PILA DE COMBUSTIBLE

Autor: Tur McGlone, Andrés

Directores: de Norverto Moriñigo, Andrés

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.

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

Figura 3. Detalle Pedales SE

Figura 4. Plano Asiento SE

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.

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 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.

DESIGN AND ANALYSIS OF A FUEL CELL GO-KART

Author: Tur McGlone, Andrés

Directors: de Norverto Moriñigo, Juan

Collaborating Entity: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

ABSTRACT

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.

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

Figure 3. Pedals SE

Figure 4. Seat plan SE

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.

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 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.