DESIGN AND FEA-BASED COMPARISON OF A NON-PNEUMATIC WHEEL (NPT) FOR ENHANCE COMFORT OF A WHEELCHAIRS

Resumen

El diseño estándar de una silla de ruedas incorpora dos ruedas traseras grandes, fijas y paralelas al asiento, y dos ruedas delanteras más pequeñas y pivotantes. Aunque funcional, esta configuración transmite al usuario las vibraciones inducidas por el terreno de forma directa, especialmente a través de las ruedas delanteras, que presentan una capacidad limitada de absorción de impactos. En usuarios con afecciones neuromusculares, dichas vibraciones pueden desencadenar respuestas espásticas, reduciendo el confort y la usabilidad general. Este estudio explora los neumáticos no neumáticos (NPT) como alternativa viable a las ruedas delanteras tradicionales, centrándose en el rendimiento estructural y en mejoras ergonómicas. Se propone una rueda delantera no neumática basada en estructuras celulares/entramadas para mitigar las vibraciones procedentes de terreno irregular sin depender de sistemas externos de amortiguación. El objetivo es incrementar el confort, mejorar la estabilidad del usuario y mantener la maniobrabilidad. Para apoyar este objetivo, uno de los propósitos principales del trabajo es emplear el análisis de elementos finitos (FEA) como herramienta de comparación inicial entre distintas geometrías internas de NPT, permitiendo evaluar su comportamiento mecánico bajo condiciones equivalentes y, con ello, seleccionar la alternativa más adecuada para su posterior validación experimental y fabricación aditiva. Se crearon modelos tridimensionales de las ruedas mediante CAD y se analizaron mediante simulaciones no lineales estáticas de elementos finitos, asignando poliuretano termoplástico (TPU) al conjunto neumático–radios y ácido poliláctico (PLA) a la llanta. Los diseños se compararon en términos de distribución de tensiones, desplazamientos axiales, niveles de deformación, rigidez estructural y eficiencia rigidez-masa, manteniendo condiciones de contorno y propiedades de material idénticas. La optimización del diseño se centró en variables como el espesor del material, la inclinación de los radios y el número de radios, buscando un equilibrio entre rigidez y flexibilidad. Las configuraciones analizadas combinan una llanta rígida de PLA con un sistema flexible de neumático y radios en TPU, proporcionando deformación controlada sin comprometer la resistencia mecánica. Entre las tres geometrías estudiadas, el entramado honeycomb mostró el equilibrio rigidez-masa más favorable y se identificó como el candidato más adecuado para futuros prototipos impresos en 3D y ensayos en banco. En conjunto, los resultados respaldan la viabilidad de incorporar ruedas delanteras NPT fabricadas mediante impresión 3D en sillas de ruedas convencionales para mejorar la accesibilidad y el confort. Palabras Clave: sillas de ruedas; estructuras celulares; impresión 3D; deformación controlada; elementos finitos.