Construeren III. Modulegroep A

Transcriptie

1 Construeren III Modulegroep A Erik van Ballegooijen Stephanie van Cappellen Maxime Gouka Martijn Korts Tessa Leeflang

2 Inhoudsopgave Inleiding... 2 Opdracht A... 3 Opdracht B... 9 Opdracht C Bronnen Bijlagen Bijlage I Eerste versie deelopdracht A... Bijlage II Eerste versie deelopdracht B... Bijlage III De SolidWorkstekeningen... 1

3 Inleiding In dit verslag zijn alle deelopdrachten van construeren III samengevoegd. De deelopdrachten zijn gemaakt in het kader van PEO 9: De vluchtwagen. Tijdens de lessen van construeren III zijn de opdrachten gemaakt. Tussentijds is er feedback verkregen. Naar aanleiding van de feedback zijn de deelopdrachten A en B aangepast. In dit verslag zijn de aangepaste versies bijgevoegd. In bijlage I vindt u de eerste versie van deelopdracht A. In bijlage II vindt u de eerste versie van deelopdracht B. 2

4 Opdracht A Lw 3 20 Opdracht A. Antropometrische berekeningen, gebruik de gemiddelde man-vrouw afmetingen of de persoon die t.z.t. de bestuurder is. Gebruik de reader Antropometrie van Ontwerpen 1 (staat op BB) en de reader Overbrengingen Construeren III module 9. Bereken de hoofdafmetingen van het vervoermiddel zoals positie van de handen, voeten, zitting, wielen, transfermogelijkheden enz. Verwerk deze berekeningen in het verslag en geef de maten duidelijk weer in een overzicht met bijbehorende tekening(en). De vluchtwagen is handaangedreven. De afmetingen van de vluchtwagen zijn aangepast aan de bestuurder (Martijn Korts). De afmetingen van de bestuurder zijn in tabel 1 weergegeven. Bovenarm Tuberculum majus Epicondylus lateralis 320 mm Romp SIAS Acromion 500 mm Bovenbeen Trochanter major Epicondylus lateralis 400 mm Onderbeen Caput fibulae Malleolus lateralis 370 mm Voet Malleolus medialis Hallucis 220 mm Hoofd + nek C6 Bovenzijde hoofd 230 mm Tabel 1 - De afmetingen van de bestuurder Er is gekozen om de voeten hoger te plaatsen dan de knieën. Hiervoor is gekozen zodat een lagere positie behaald kan worden. In figuur 1 zijn de hoeken van knie, heup, schouder en ellenboog te zien op vier verschillende punten in de beweging. De hoeken zijn bepaald op 0, 90, 180 en

5 Figuur 1 - Gewrichtshoeken in vier verschillende posities Aan de hand van deze hoeken zijn met behulp van het Excelmodel 1 de coördinaten van de handen bepaald in de vier posities. De coördinaten worden berekend ten opzichte van het contactpunt van het achterwiel met het wegdek. De coördinaten zijn te zien in tabel 2. Positie x-coördinaat y-coördinaat Tabel 2 - Coördinaten hand In tabel 2 is te zien dat de y-coördinaat van de hand in positie 1 en 3 nagenoeg gelijk is, een verschil van 4mm. Aan de hand van de afstand tussen de x-coördinaat van punt 1 en 3 kan daarom de lengte van de crank worden bepaald. Hierbij is de lengte van de crank de helft van afstand tussen deze punten. lengte crank = ( ) 2 = 147 mm De coördinaten van de handen zijn weergegeven in tabel 3. Positie x-coördinaat y-coördinaat Tabel 3 De coördinaten van de handen 1 Het Excelmodel is digitaal verstrekt via de mail. 4

6 De as van de crank ligt in de lengterichting op 667 mm van het contactpunt van het achterwiel. Er wordt gekozen voor een hart-op-hart-afstand (HOH) tussen de achteras en vooras 1000 mm is. De crank-as en de uitslag van de crank vallen hier binnen. Om de hoogte van de crank te bepalen is de volgende methode bedacht. Aan de hand van een handdynamometer kan er bepaald worden welke kracht eruit geoefend kan worden. In het ontwerp is er bepaald dat het engelgewricht op 670 mm van de crank moet komen. Door een meetlint op de muur te bevestigen kan de hoogte van de crank bepaald worden. De meting is in stappen van 50 mm uitgevoerd tussen de 1000 en 500 mm. Op elke hoogte is er drie keer gemeten hieruit is een gemiddelde gekomen die te zien is in de tabel. Uit de meet resultaten is naar voren gekomen dat de crank op 650 mm van de oorsprong moet komen. Kracht [N] Kracht [N] Kracht [N] Kracht [N] Hoogte [mm] meting 1 meting 2 Meting 3 Gemiddeld Tabel 4 - Resultaten krachtmeting 670 mm Figuur 2 - Handdynamometer Figuur 3 Meetlint Figuur 4 - Totale beeld 5

7 De hoogte van de crank in de hoogste positie is 650 mm. Dit betekent dat de as van de crank op een hoogte van 480 mm komt te liggen van het contactpunt van het achterwiel. Zoals te zien is in opdracht B is er gekozen voor een tandwiel van 170 mm. In tabel 4 zijn de uiterste coördinaten van de crank weergegeven. Positie x-coördinaat y-coördinaat 1 0 graden graden graden graden Tabel 5 Coördinaten uiterste crankpositie Figuur 5 - Houding tunnel Zoals te zien in figuur 5 heeft de bestuurder tijdens het bukken geen last van de uiterste posities van de crank. Dit betekent dat de bestuurder tijdens het passeren van de tunnel gewoon door kan rijden. 6

8 Aan de hand van de bekende coördinaten zijn de hoofdafmetingen van de fiets berekend. De hoofdafmetingen van de fiets zijn weergegeven in figuur 3. Figuur 6 - De afmetingen De eisen voor de vluchtwagen: Afmetingen: maximaal (L X B X H) 2000 X 700 X 800 mm; Draaicirkel (uitwendig) maximaal 3500mm; De vluchtwagen moet handaangedreven zijn; De vluchtwagen moet een kettingaandrijving hebben; De vluchtwagen moet voorwielaandrijving hebben; De bestuurder moet tussen de achterwielen zitten; Tijdens het vluchten moet de bestuurder comfortabel kunnen zitten; Tijdens het passeren van een obstakel moet de bestuurder kunnen bukken; De enkels moeten op de achteras kunnen rusten, de straal van de wielen moet minimaal 150 mm zijn. 7

9 Berekening draaicirkel Om de draaicirkel te berekenen zijn de volgende gegevens nodig: De afstand van as tot as, in figuur 4 met W aangegeven; De maximale stuuruitslag, in figuur 4 met α aangegeven. Er is aangenomen dat α=55. Aan de hand van de comfortabele startpositie van de bestuurder is W bepaald op 1000 mm. In figuur 4 is een uitwendige draaicirkel en inwendige draaicirkel weergegeven. De straal van de uitwendige draaicirkel van het voorwiel wordt aangegeven met R. De inwendige draaicirkel van het achterwiel met wordt aangegeven met r. Beide wielen draaien om hetzelfde middelpunt. Figuur 1 - Draaicirkel Uit figuur 4 komt het volgende: Berekening straal draaicirkel voorwiel: sin(α) = W R Hieruit volgt: R = W sin(α) R = 1000 = mm sin(55) De straal is mm dus de diameter van de draaicirkel is mm ( ). 8

10 Opdracht B Lw 5 30 Opdracht b. Bepaal het rekenvermogen van een persoon binnen je doelgroep. Bepaal de rolweerstandcoëfficiënt van een dergelijk voertuig bij de verschillende wegdek types. Bereken de snelheid die bereikt kan worden met het vermogen en deze rolweerstand en rond dit vervolgens af naar reële snelheden. Bereken m.b.v. de voorgaande gegevens de gewenste overbrengingsverhoudingen i van de eventuele versnellingsnaaf als van de kettingwielen, hefbomen etc. Maak tevens een kettingberekening op levensduur zoals bij het hoorcollege mod.9 is behandeld. Voor opdracht B is er een aantal aannames gedaan. Deze aannames zijn terug te vinden in tabel 5. Betekenis Waarde m bestuurder+vluchtwagen 80 kg n hand 1,0 omw/s z 1 42 p ketting 12,7 mm Tabel 6 - Aannames Rekenvermogen Uit onderzoek van D. Lovell 2012 [1], is gebleken dat het piekvermogen van ongetrainde mensen op een handbike 121 Watt is. Voor het gemiddelde vermogen wordt de helft van het piekvermogen genomen. Het rekenvermogen van de bestuurder wordt bepaald op 60.5 Watt. De vluchtwagen wordt speciaal ontworpen voor de bestuurder. De bestuurder is ± 60 kg. Naar verwachting wordt de vluchtwagen ± 20 kg. Daarom wordt er gerekend met een massa m bestuurder+vluchtwagen = 80 kg. Rolweerstandcoëfficiënt Om de rolwrijving van de vluchtwagen te bepalen op verschillende oppervlaktes zijn de wrijvingscoëfficiënten van rubber op gras en rubber op beton/asfalt bepaald, zie tabel 6. Voor een schematische weergave van de krachten die op de vluchtwagen werken, zie figuur 5. Gras: f = 0.08 Beton: f = 0,03 Om de rolwrijving te bepalen zijn de volgende formules gebruikt. F z = m a F z = 80 9,81 = 784,8 N F n = F z F r = f F n F rgras = = 62,7 N F rbeton = = 23,5 N Tabel 7 Rolweerstandscoëfficiënt [2] 9

11 Snelheid De snelheid van het wiel wordt bepaald aan de hand van het rekenvermogen. P = 60,5 Watt P = F r v v = P F r v gras = 60,5 = 0,95 m/s 1 m/s = 3.6 km/h 62,7 v beton = 60,5 = 2,57 m/s 2,6 m/s = 9,4 km/h 23,5 Met de snelheid van het wiel is het aantal omwentelingen per seconde op de verschillende ondergronden te berekenen. n wiel = v π d 1 n gras = = 1,1 omw/s n beton = 2,6 π 0,30 π 0,30 = 2, 8 omw/s Figuur 5 Schematische weergave krachten Overbrengingsverhouding Er is gekozen voor: n hand 1,0 omw/s. Hieruit is te berekenen wat de overbrengingsverhouding is tussen de input van de hand en de output van het wiel. 1 i = n hand n wiel 1,0 i gras = 0,9 1,1 i = 0,9 = 0,36 i = 0,4 i beton 1,0 2,8 i < 1 = versnelling i > 1 = vertraging 2 Figuur 6 - Tandwielen Tandwielen Er is gekozen voor z 1 = 42. z 1 is hierbij de ingaande as (figuur 6). Er zal gerekend worden met de overbrengingsverhouding van gras. Hiervoor is gekozen omdat er anders een vertraging in de snelheid zal optreden wanneer er op gras gereden wordt. Wel moet opgemerkt worden dat bij deze hogere overbrengingsverhouding bij rijden op beton n hand zal toe nemen. i = z 2 z 1 z 2 = i z 1 z 2 = 0,9 42 = 37,8 38 Om de steek van de ketting te berekenen is het gecorrigeerd vermogen nodig. Omdat Z 2 het kleinste tandwiel is, is deze maatgevend. Het kleinste tandwiel slijt het snelst. Omdat de ketting regelmatig belast wordt en z 2 > 25, is er een correctiefactor van 0.75 (tabel 7). P gecorrigeerd = P 0.75 P gecorrigeerd = = 45.4 Watt 10

12 In figuur 8 is met behulp van het toerental en het gecorrigeerd vermogen de steek van de ketting af te lezen bij een levensduur van uur. In praktijk zal dit echter nooit behaald worden. Met een toerental van n wiel 1,1 omw/s en een gecorrigeerd vermogen van 45.4 Watt is een ketting met een steek van 8 mm nodig. Aangezien de meeste kettingen uitgevoerd zijn met een steek van 12.7 mm zal de vluchtwagen voorzien worden van een ketting met een steek van 12.7 mm. Doordat er een zwaardere ketting gebruikt wordt, zal de levensduur van uur iets realistischer zijn. Hiermee is de steekcirkeldiameter van het tandwiel te berekenen: D stc = p sin( 180 z ) D stc1 = D stc2 = 12,7 sin( ,7 sin( ) = 170 mm ) = 154 mm Krachten op de ketting Aan de hand van D stc1 kan de kracht op de ketting berekend worden: M = 0 r tandwiel F ketting = r wiel F propulsie r tandwiel F ketting = r wiel F r F ketting = r wiel F r r tandwiel Gras: F ketting = Beton: F ketting = ,5 77 = 110,6 N = 45,8 N Figuur 7 - Schematische weergaven krachten op de crank 11

13 Tabel 7 Correctiefactoren voor vermogen [3] Figuur 8 Keuzegrafiek voor rollenketting [3] 12

14 Opdracht C Lw 7 30 Opdracht c. Teken het geheel in SW. Maak de SW tekeningen niet te gedetailleerd, lagers boutjes moeren etc. is NIET noodzakelijk maar wel de hoofdmaten. Maak ook een z.g. lastekening van het frame zodat er controlematen aanwezig zijn. Lw 7 10 Opdracht d. Maak een animatiefilm 2 van de rolstoel met het aandrijfmechanisme. Let a.u.b. op een realistische breedte hoogteverhouding van het filmpje. Lw7 10 Opdracht e. In lesweek 7 wordt het totaal verslag ingeleverd met daarin ook nog opdracht a en b. Verzorging van het verslag. De SolidWorkstekeningen zijn te zien in bijlage III. Voordat er in de SolidWorkstekeningen de juiste maten gezet kunnen worden zijn er nog een aantal berekeningen gemaakt. De benodigde berekeningen worden hieronder beschreven. Om te weten te komen hoe schuin het voorwiel moet komen te staan, wordt hoek β berekend (zie figuur 9). De grootte van hoek β is afhankelijk van de stabiliteit U. De stabiliteit U moet tussen de -1 en -3 liggen zodat een fiets goede stuureigenschappen heeft [4]. Er is gekozen voor een U van -2. Omdat bij hogere waardes, dan -1 wordt de fiets instabieler en bij lagere waardes dan -3 dan is het zelfcorrigerend effect groter. Dan moet het stuur iets verder gedraaid worden voordat men de bocht om gaat. Omdat wanneer men minder ver draait, het stuur vanzelf weer recht komt te staan. D V β Figuur 9 Hoek β berekenen De gemiddelde doorbuiging van een gebogen vork is 77 mm [5]. Wanneer er met een vorkdoorbuiging van 77 mm gerekend wordt, komt er met een wieldiameter van 300 mm een hoek β uit van ± 40. Voor de vluchtwagen is deze hoek erg vlak. Er is daarom gekozen om te rekenen met een vorkdoorbuiging van 70 mm. Daarnaast wordt er een voorwiel van 16 gebruikt, de voorwieldiameter is dan 400 mm. Met deze gegevens komt er een hoek β uit van ± 60. De verhouding V D met een U van -2 geeft de benodigde hoek β. wiel V Dwiel = = In tabel 8 is te zien dat bij een U van -2 en een verhouding van V D wiel dan ± 60 bedraagt. = de hoek β 2 De animatiefilm is digitaal verstrekt via de mail. 13

15 Verhouding V / D wiel β graden Stabiliteit U 2 0,200 0,293 0,348 0,368 0,354 0,311 0,245 0,163 instabiel 1 0,164 0,256 0,311 0,331 0,317 0,275 0,209 0, ,127 0,219 0,275 0,294 0,281 0,238 0,172 0, ,091 0,183 0,238 0,258 0,244 0,201 0,135 0,054 stabiel -2 0,054 0,146 0,201 0,221 0,207 0,165 0,099 0,017 Tabel 8 Verhouding V D wiel -3 0,017 0,109 0,165 0,184 0,171 0,128 0,062-0,020 Zoals te zien is in figuur 10 is een hoek β van ± 60 stabiel. De grafiek bevindt zich dan in het groene gedeelte. Figuur 10 Verhouding V D wiel 14

16 De balhoofdhoek (hoek β) is 60 (zie figuur 11 voor een schematische weergave). Het centrum van de trapas bevindt zich 600 mm boven de grond (zie opdracht A). De cranks zijn 170 mm lang. Omdat men niet het risico wil lopen de handen te stoten aan het frame, wordt het frame op een afstand van 200 mm van de het centrum van de trapas bevestigd. sin 60 = y 200 y = 200 sin 60 y = 173,2mm De hoogte van de bevestiging van het frame aan de vork/stuur(b) komt dan op de hoogte: h = ,2 h = 426,8mm We weten ook de horizontale afstand van de knik in het frame(a) tot het centrum van de trapas, deze is uit eerdere berekeningen gekomen als 300. De hoek van het frame ten opzichte van de horizontaal wordt dan: tan α = 426,8 300 α = 54,9 De hoek tussen de framedelen wordt dan : β = ,9 β = 118,1 De hoek tussen het frame en de voorvork wordt dan: δ = γ + ε γ = ,9 γ = 35.1 ε = ε = 30 δ = 65,1 B ε δ A β α Figuur 11 Schematische weergave hoeken 15

17 Bronnen [1] D. Lovell, D. S. (2012). The Aerobic Performance of Trained and Untrained Handcyclists With Spinal Cord Injury. Springer, [2] [3] Broeren, B. (2013). Overbrengingen. Den Haag: Haagse Hogeschool. [4] [5] pdf 16

18 Bijlagen Bijlage I Bijlage II Bijlage III Eerste versie deelopdracht A Eerste versie deelopdracht B De SolidWorkstekeningen 17

19 Bijlage I Eerste versie deelopdracht A Op de volgende pagina is de eerste versie van deelopdracht A te vinden. 18

20 Bijlage II Eerste versie deelopdracht B Op de volgende pagina is de eerste versie van deelopdracht B te vinden. 19

21 Bijlage III De SolidWorks tekeningen Vanaf de volgende pagina beginnen de SolidWorks tekeningen. 20