1
Autotechniek
Bedrijfsnaam
Sparta B.V.
Student
Bas van Harselaar
Docent
Ing. A.J.P.M. Mekel
Assessor
Drs. W.H. Janssen
RAPPORT AFSTUDEEROPDRACHT
sem. 1 cursusjaar 2011-2012
Titel: ·Ontwerprapport
nieuw type E-bike
3
Voorwoord
Dit is het ontwerprapport van het afstudeer project’ nieuw type E-bike’, die deels uitgevoerd is aan de HTS-Autotechniek van de Hoge School van Arnhem en Nijmegen, te Arnhem en deels bij Sparta B.V., te Apeldoorn. Het project is uitgevoerd in opdracht van Sparta B.V., internationale onderneming in het ontwikkelen, produceren en leveren van fietsen en elektrische fietsen. Het ontwerprapport is opgesteld door één student van de Hoge School van Arnhem/Nijmegen, Autotechniek.
Dit ontwerprapport is geschreven om de kennis die de student ter beschikking heeft te testen voordat de student kan afstuderen. Het ontwerprapport dient ingeleverd te worden op 10-01-2012 voor 16:00. Wordt het ontwerprapport goedgekeurd dan mag de student het ontwerprapport verdedigen aan de hand van een presentatie op 20-01-2012.
Vanuit de HTS-Autotechniek is er begeleiding gegeven door Ing.A.J.P.M Mekel en Drs.W.H. Janssen, beide werkzaam als docenten. Vanuit Sparta B.V. is er begeleiding gegeven door Ing.F.V.Gerven, werkzaam als Research & Development Manager.
4
Samenvatting
In de fietsbranche bestaan al zogenaamde E-bikes. Een E-bike is een fiets met elektrische
trapondersteuning tot en met een snelheid van 45 km/h. De E-bike is op dit moment een beetje een moeilijk geval aangezien het in de meeste landen wettelijk gezien wordt als een brommer, maar niet alle wettelijke eisen die gesteld worden aan een brommer zijn relevant voor een E-bike.
Op verschillende gebieden zoals wetgeving en infrastructuur, zijn de ontwikkelingen op volle gang. Uit elk gebied met bijbehorende ontwikkeling zijn stukjes te halen, die er op wijzen dat het mogelijk is om in de toekomst zonder al te veel problemen met E-bikes te rijden.
Sparta heeft nog geen E-bike, maar is wel altijd op zoek naar ‘something special’ en wil toch het risico nemen en een E-bike ontwerpen. Het ontwerpen van een E-bike wordt in verschillende stappen gedaan. In dit ontwerprapport komen de aandrijflijn en het frame aan bod.
De aandrijflijn zoals het woord al aangeeft is een lijn die iets aandrijft. Als fietser oefen je kracht uit op de pedalen om met de E-bike vooruit te komen. De huidige aandrijflijnen waarover Sparta beschikt ondersteunen een snelheid van 45 km/h niet. Dat wil dus zeggen dat er nieuwe
componenten, die samen de aandrijflijn vormen, gekozen moeten worden om de snelheid van 45 km/h te behalen.
Voorafgaand is er al een vormgeving studie1 gedaan m.b.t. twee frame concepten. Een heren frame en een dames frame. beide frame concepten moeten voldoen aan de Europese norm EN 14764. Het doel van dit ontwerprapport is het ontwerp vast te leggen van een nieuw E-bike type en hierbij bepaalde keuzes te verantwoorden. Het doel van het ontwerp is het aanboren van een nieuw segment en daarmee het product assortiment van Sparta vergroten.
De volgende vraagstelling is geformuleerd:
- Welke componenten moeten gekozen worden om de aandrijflijn te vormen? - Voldoen de frame concepten aan de Europese norm EN 14764?
Voor de beantwoording van deze vragen is een technisch ontwerprapport opgesteld.
5
De aandrijflijn is aan de hand van een aantal keuzes en berekeningen tot stand gekomen en kan de snelheid van 45 km/h ondersteunen. De componenten die samen de aandrijflijn vormen kunnen worden onderverdeeld in soorten en typen. Voor de componenten die de aandrijflijn vormen zie tabel 1. Bijbehorende plaatjes zijn terug te vinden in figuur 1.
In tabel 1 is te zien dat niet elk type component gekozen is. Het type versnelling en overbrenging zijn zodanig onderbouwd, zodat de afdeling Productie een keuze kan maken. De afdeling
Pre-Productie heeft namelijk de meeste praktische ervaring.
De twee frame concepten zijn gedigitaliseerd en met behulp van Simulation gesimuleerd. Aan de hand van de resultaten van de digitale simulaties kunnen conclusies getrokken worden. De digitale simulaties worden uitgevoerd om er voor te zorgen dat beide frame concepten voldoen aan de Europese norm EN 14764.
Een frame kan bezwijken op knik, afschuiving, vermoeiing en op vloeien. Beide frame concepten bezwijken niet op deze bezwijk criteria en voldoen aan de Europese norm, met als uitzondering de zogenaamde fatique study ( vermoeiing ) op de out of saddle test bij beide frames. Er is sprake van een error in het programma. De programmeurs van dit programma zijn bezig met de oplossing. Bij alle digitale simulaties komen telkens dezelfde kritieke punten naar voren. Zie figuur 2 en 3. Deze kritieke punten kunnen weggehaald worden door de aansluiting van de buizen op de accubuis meer naar de wanden van de accubuis te leiden. De kritieke punten zullen verdwijnen en het is mogelijk om het frame nog lichter te construeren.
Figuur 2 Kritieke punten heren frame Figuur 3 Kritieke punten dames frame
Voor een specifiekere conclusie m.b.t. de frame concepten zie het hoofdstuk ‘Conclusie’ van dit ontwerprapport. Het is niet mogelijk om te zeggen waar het frame lichter gemaakt kan worden, omdat na het wegwerken van de kritieke punten de resultaten qua spanningen en vervormingen anders zijn.
Componenten Soort Type Versnelling (1) Derailleur -Overbrenging (2) Ketting -Elektromotor (4)
bracket
motor Bosch 45 Accu (3) Lithium ion Bosch 45 Controler (3) Sparta Sparta
6
Inhoudsopgave
1. Inleiding 8
2. Opdracht omschrijving 10 2.1 Voorstellen m.b.t. componenten van de aandrijflijn 10 2.2 Digitalisatie frame/Digitale simulaties 10
3. Voorstellen m.b.t. componenten van de aandrijflijn 12 3.1 Optredende verliezen in de aandrijflijn 13 3.2 Marktonderzoek m.b.t. de aandrijflijn 14 3.3 Keuze componenten m.b.t. de aandrijflijn 15
2.3.1 Keuzetabel 15
2.3.2 Beoordeling keuzetabel 15
3.4 Berekening van de gewenste overbrengverhouding 16
3.4.1 Gebruikssituaties 16
3.4.2 Berekening overbrengverhouding 17 3.4.3 Voertuigparameter aannames 20 3.4.4 Voorbeeld berekening overbrengverhouding 21 3.4.5 Conclusie overbrengverhouding 22
3.4.6 Complete aandrijflijn 23
4. Digitalisatie van de frame concepten 24
4.1 Basisgeometrie 24
4.2 Gekozen componenten 25
4.2.1 Motor ophanging 25
4.2.2 Balhoofd en drop-outs 26
4.2.3 Plaatsing gekozen componenten in basisgeometrie 26
4.3 Ontworpen componenten 27
4.3.1 Accubuis 27
4.3.2 Bovenbuis 28
4.3.3 Onderbuis 28
4.3.4 Achterbruggen 29
7
5. Digitale frame simulaties m.b.t. sterkte, stijfheid en vermoeiing. 31 5.1 Omschrijving van de gebruikte testen 31
5.1.1 Zadelpen test 31
5.1.2 Out of saddle 32
5.1.3 Botsproef 32
5.2 Opbouw van het eindige elementen rekenmodel 33 5.2.1 Eindige elementen methode 33 5.2.2 Opbouw zadelpen test heren frame 34
5.2.2.1 Study type 34 5.2.2.2 Model information 35 5.2.2.3 Fixtures 36 5.2.2.4 Loads 36 5.2.2.5 Contact information 37 5.2.2.6 Mesh information 38
5.3 Resultaten zadelpen test heren frame (Static study) 40
6. Conclusies en aanbevelingen 42
Literatuurlijst/Bronvermelding 44
8
1. Inleiding
Elektrische fietsen! Tegenwoordig ontkomt geen enkele fietsfabrikant er meer aan. Er is namelijk steeds meer vraag naar elektrische fietsen. Vroeger had de elektrische fiets een truttig imago, maar tegenwoordig maken zowel jonge als oude mensen gebruik van elektrische fietsen. Fietsfabrikanten ontwikkelen in rap tempo nieuwe elektrische fietsen om aan de wensen van de klant te voldoen en om zo de concurrentie voor te blijven. Een elektrische fiets geeft trapondersteuning tot en met een snelheid van 25 km/h.
Sommige fietsfabrikanten hebben al zogenaamde E-bikes. Een E-bike is een fiets met elektrische trapondersteuning tot en met een snelheid van 45 km/h. De E-bike is op dit moment een beetje een moeilijk geval aangezien het in de meeste landen wettelijk gezien wordt als een brommer, maar niet alle wettelijke eisen die gesteld worden aan een brommer zijn relevant voor een E-bike. Op
verschillende gebieden zoals wetgeving en infrastructuur, zijn de ontwikkelingen op volle gang. Uit elk gebied met bijbehorende ontwikkeling zijn stukjes te halen, die er op wijzen dat het mogelijk is om in de toekomst zonder al te veel problemen met E-bikes te rijden.
Sparta heeft nog geen E-bike, maar is wel altijd op zoek naar ‘something special’ en wil toch het risico nemen en een E-bike ontwerpen. Het ontwerpen van een E-bike wordt in verschillende stappen gedaan. In dit ontwerprapport komen de aandrijflijn en het frame aan bod.
De aandrijflijn zoals het woord al aangeeft is een lijn die iets aandrijft. Als fietser oefen je kracht uit op de pedalen om met de E-bike vooruit te komen. De huidige aandrijflijnen waarover Sparta beschikt ondersteunen een snelheid van 45 km/h niet. Dat wil dus zeggen dat er nieuwe
componenten, die samen de aandrijflijn vormen, gekozen moeten worden om de snelheid van 45 km/h te behalen.
Voorafgaand is er al een vormgeving studie2 gedaan m.b.t. twee frame concepten. Beide frame concepten moeten voldoen aan de Europese norm EN 14764.
Het doel van dit ontwerprapport is het ontwerp vast te leggen van een nieuw E-bike type en hierbij bepaalde keuzes te verantwoorden. Het doel van het ontwerp is het aanboren van een nieuw segment en daarmee het product assortiment van Sparta vergroten.
De volgende vraagstelling is geformuleerd:
- Welke componenten moeten gekozen worden om de aandrijflijn te vormen? - Voldoen de frame concepten aan de Europese norm EN 14764?
Voor de beantwoording van deze vragen is een technisch ontwerprapport opgesteld.
9
Het ontwerprapport is als volgt opgebouwd:
Als eerst wordt de opdracht omschreven. Na het omschrijven van de opdracht wordt een begin gemaakt aan het bepalen van de aandrijflijn. Voor het bepalen van de aandrijflijn worden verliezen in kaart gebracht. Met de in kaart gebrachte verliezen kan rekening gehouden worden m.b.t. het kiezen van componenten van de aandrijflijn. Het kiezen van componenten gebeurd aan de hand van een marktonderzoek, keuzetabellen met bijbehorende criteria en aan de hand van bepaalde
overbrengverhoudingen met bijbehorende gebruikssituaties. Uiteindelijk volgt een complete
aandrijflijn bestaande uit gekozen componenten. Na het bepalen van de aandrijflijn worden de twee frame concepten gedigitaliseerd in het software programma Solidworks. De twee frames worden in een software pakket gesimuleerd aan de hand van praktijk testen die beschreven zijn in de Europese richtlijn EN 14764. Als eerst worden de verschillende praktijk testen omschreven. Daarna zullen manier van inklemmen, belastingsgevallen, soort berekening en de opbouw van het eindige elementen model beschreven worden. Resultaten van het eindige elementen model zullen beschreven worden en uiteindelijk zullen conclusie getrokken worden en aanbevelingen gedaan worden m.b.t. de aandrijflijn en het frame.
10
2. Opdracht omschrijving
Het op de markt brengen van een E-bike komt tot stand door meerdere afdelingen binnen Sparta. Iedere afdeling heeft zijn eigen verantwoordingen. Het project wordt uitgevoerd onder de afdeling ontwikkeling en is verdeeld in 2 opdrachten. Het gaat hierbij om het kiezen van componenten die samen de aandrijflijn vormen en het digitaliseren van frame concepten die door een eerdere studie naar voren zijn gekomen. De gedigitaliseerde frame concepten worden aan de hand van digitale simulaties gecontroleerd of ze voldoen aan de Europese norm En 14764. In paragraaf 2.1 en 2.2 worden de opdrachten uitgebreid uitgelegd.
2.1 Voorstellen m.b.t. componenten van de aandrijflijn
Aangezien er een nieuw segment binnenin Sparta m.b.t. E-bikes wordt aangebroken is het
noodzakelijk om een aandrijflijn te bepalen die de gekozen richting technisch kan ondersteunen. De aandrijflijn zoals het woord al aangeeft is een lijn die iets aandrijft. Als fietser oefen je kracht uit op de pedalen om met de E-bike vooruit te komen. Er wordt eerst in kaart gebracht welke componenten er allemaal op de markt zijn en daaruit worden keuzes gemaakt met technische onderbouwingen. Door de jaren heen is er veel geëxperimenteerd m.b.t. de locatie van componenten en de conclusie daaruit is dat veel componenten een vaste locatie hebben zoals nu in de huidige fietsen van het assortiment van Sparta. In de nieuwe E-bike zullen deze componenten een locatie hebben zoals in het assortiment van Sparta. Er worden dus geen concepten bedacht m.b.t. verschillende locaties van componenten, maar er wordt per component bekeken welke van de vele soorten en typen het beste in de complete aandrijflijn past. Uit een aantal opgestelde gebruikssituaties, volgen een aantal overbrengverhoudingen. Met behulp van deze overbrengverhoudingen kan specifiek een versnellingstype gekozen worden. Al deze gekozen componenten vormen samen een nieuwe aandrijflijn voor de E-bike.
2.2 Digitalisatie Frame/Digitale simulaties
Uit een eerdere studie3 zijn twee concepten naar voren gekomen in de vorm van een heren frame en een dames frame. In figuur 4 zie je een heren frame en in figuur 5 zie je een dames frame.
Figuur 4 Heren frame Figuur 5 Dames frame
11
Beide frame concepten moeten worden gedigitaliseerd naar het softwarepakket Solidworks, waarmee stijfheids, sterkte en vermoeiing analyses uitgevoerd kunnen worden. De reden hiervan is om te controleren of de vormgeving van beide concepten aan de Europese norm EN 14764 voldoet. Als het frame niet voldoet aan de Europese norm, dan worden aanpassingen en aanbevelingen gedaan. Deze Europese norm is beschreven in de vorm van drie testen op het frame en staan beschreven in het pakket van eisen. Voor het pakket van eisen zie bijlage 1. De drie testen op het frame zullen d.m.v. Solidworks Simulation op het gedigitaliseerde concept gesimuleerd worden.
12
3. Voorstellen m.b.t. componenten van de aandrijflijn
Een E-bike is een compleet nieuw segment in het Product assortiment van Sparta. Het nieuwe segment t.o.v. de huidige elektrische fiets heeft een andere doelgroep en wordt gebruikt bij andere toepassingen, waardoor het noodzakelijk is om een nieuwe aandrijflijn te bepalen.De aandrijflijn zoals het woord al aangeeft is een lijn die iets aandrijft. Als fietser oefen je kracht uit op de pedalen om met de E-bike vooruit te komen. Deze kracht wordt doormiddel van de aandrijflijn omgezet in een snelheid van het achterwiel. Het achterwiel zorgt uiteindelijk voor het aandrijven van de fiets. Bij een E-bike heb je iets extra’s namelijk de elektrische trapondersteuning. De elektrische trapondersteuning meet direct of indirect de kracht die de fietser op de trappers levert en biedt aan de hand daarvan extra ondersteuning. De grote van de ondersteuning is niet alleen afhankelijk van de kracht die de fietser aan de trappers levert, maar ook afhankelijk van het ingestelde programma op je display. Je kunt bijvoorbeeld voor een eco of speed programma kiezen.
Er zijn ook voertuigen die voorwiel aangedreven zijn, maar in dit ontwerprapport is alleen een achterwiel aangedreven E-bike van toepassing.
De aandrijflijn (zie figuur 6) van een E-bike bestaat uit de volgende componenten:
- Versnelling (1) - Overbrenging (2) - Elektromotor (4) - Accu (3)
- Controller (3)
In dit hoofdstuk wordt stap voor stap uitgelegd hoe de uiteindelijke aandrijflijn tot stand is gekomen. Voordat keuzes m.b.t. componenten gemaakt kunnen worden zijn er twee onderzoeken nodig. Het eerste onderzoek is gericht op de verliezen die in een aandrijflijn kunnen optreden en het tweede onderzoek is gericht op welke componenten er op de markt zijn.
13
3.1 Optredende verliezen in de aandrijflijn
In een aandrijflijn treden een aantal verliezen op die je zo klein mogelijk wilt houden. De gebruiker en de elektromotor leveren beide energie aan de trappers. Deze energie ondervindt een aantal
verliezen waardoor er maar een deel van de toegevoegde energie omgezet wordt in nuttige energie. We spreken in dit project van nuttige energie als het voor de beweging van het achterwiel zorgt. Het is van belang om zoveel mogelijk toegevoegde energie om te zetten naar nuttige energie. Lagere verliezen betekend meer nuttige energie, waardoor de actieradius vergroot wordt. De actieradius is de afstand die de E-bike kan afleggen zonder dat de accu tussendoor wordt opgeladen. Het in kaart brengen van de verliezen is later in het verslag nodig om de overbrengingen te berekenen.
De eerste stap voor het bepalen van de aandrijflijn is het in kaart brengen van de optredende verliezen. Er wordt gekeken welke factoren invloed hebben op de verliezen.
De verliezen die in kaart gebracht worden noemen we ook wel rijweerstanden. De volgende
rijweerstanden spelen een rol bij het rijden op een E-bike:
- Rolweerstand - Hellingweerstand - Luchtweerstand - Acceleratieweerstand
- Inwendige weerstand van de aandrijflijn
Inwendige weerstanden van de aandrijflijn treden op in de elektromotor. De elektromotor
heeft een aantal interne verliezen, maar deze verliezen worden niet in kaart gebracht omdat
de elektromotor een inkoop deel wordt waarvan het niet de bedoeling is om deze zelf aan te
gaan passen. De meeste elektromotoren hebben een hoog rendement wat resulteert in lage
verliezen.
Als voorbeeld bekijken we de factoren die invloed hebben op de rolweerstand aan de hand van formule 3-1.
(3-1)
Waarbij:
= Rolweerstand
[N]
f
= Rolweerstandcoëfficiënt
[-]
m
= Massa van het voertuig + massa van de bestuurder
[Kg]
g
=
Gravitatieversnelling [ ]Door het aanpassen van f,m en g is het mogelijk om de rolweerstand te verlagen. De overige rijweerstanden zijn uitgebreid beschreven en terug te vinden in bijlage 2.
14
3.2 Marktonderzoek m.b.t. de aandrijflijn
In de vorige paragraaf zijn wij erachter gekomen welke factoren de rijweerstanden beïnvloeden. Met dit in het achterhoofd kan een marktonderzoek gedaan worden m.b.t. verschillende componenten die samen de aandrijflijn vormen.
Elk component van de aandrijflijn heeft verschillende soorten en per soort zijn er weer verschillende typen. Voor alle componenten worden de verschillende soorten in kaart gebracht, maar omdat er per soort ongelofelijk veel verschillende typen zijn en het onmogelijk is om deze in kaart te brengen wordt dit voor de meeste componenten niet gedaan. Alleen van de elektromotor en de accu worden de verschillende typen in kaart gebracht. De overige twee typen worden zodanig onderbouwd, zodat de afdeling Pre-Productie een keuze kan maken.
Aan de hand van een voorbeeld geven we aan hoe het marktonderzoek is opgebouwd. Een versnelling is onder te verdelen in de volgende soorten:
- Tandwiel-tandwiel koppeling ( zie figuur 7) - Naafversnelling ( zie figuur 8) - Derailleur versnelling (Zie figuur 9)
Figuur 7 Tandwiel-tandwiel koppeling Figuur 8 Naafversnelling Figuur 9 Derailleur versnelling
Er zijn verschillende fabrikanten die verschillende naafversnellingen produceren. Hierdoor ontstaan binnen het soort versnelling verschillende typen.
De verschillende soorten componenten zijn tijdens het marktonderzoek in kaart gebracht en uitgebreid beschreven. Het doel van het marktonderzoek is om uiteindelijk keuzes te maken m.b.t. componenten die de aandrijflijn gaan vormen. Het marktonderzoek m.b.t. de soorten is te vinden in bijlage 3. Het onderzoek naar de verschillende typen van de elektromotor en de accu is te vinden in bijlage 4.
15
3.3 Keuze componenten m.b.t. de aandrijflijn
Het is aangezien het tijdsbestek niet mogelijk om componenten die gezamenlijk de aandrijflijn vormen afzonderlijk te ontwerpen. Er wordt daarom gekozen om van de bestaande componenten die voortgekomen zijn uit het marktonderzoek een keuze te maken. Sommige componenten worden gelijk al gekozen met een enkele onderbouwing zowel soort als type, maar bij de meeste
componenten wordt in eerste instantie alleen het soort gekozen en later pas het type.
De componenten die niet met een enkele onderbouwing gekozen worden, worden gekozen aan de hand van een keuzetabel met daarin verwerkt een aantal criteria.
3.3.1 Keuzetabel
Voor het kiezen van twee soorten component wordt een keuzetabel opgesteld. De keuzetabel vergelijkt de verschillende soorten aan de hand van een aantal opgestelde criteria. Deze criteria is uitgebreid beschreven en terug te vinden in bijlage 5. In tabel 2 zien we een keuzetabel m.b.t. het kiezen tussen een ketting (zie figuur 10) en een snaar (zie figuur 11) als overbrenging.
Figuur 10 Ketting
Tabel 2Keuzetabel ketting/snaar Figuur 11 Snaar
3.3.2 Beoordeling keuzetabel
De beoordeling voor het kiezen van componenten is als volgt uitgevoerd:
Bij elk criterium wordt per soort een waardering toegekend met een waarde van 1 tot 3. De waarde 3 geeft aan dat een bepaald criterium bij een soort het meest gunstig is en de waarde 1 geeft aan dat een bepaald criterium bij een soort het minst gunstig is. Per criteria is ook een weegfactor
toegekend. Een weegfactor geeft aan welk criterium belangrijker is t.o.v. een ander criterium. Een waarde bij een bepaald soort en criterium moet je vermenigvuldigen met de betreffende weegfactor. Per model komt er een totaal uit. Het soort met de hoogste waardering komt er het best uit mits er geen uitzonderingen zijn. Uit tabel 2 volgt dat we het soort ketting als overbrenging gaan gebruiken. De overige keuzetabel en keuzes zijn terug in bijlage 6.
16
3.4 Berekening van de gewenste overbrengverhouding
In de vorige paragraaf is te zien hoe de keuze m.b.t. bepaalde componenten van de aandrijflijn tot stand is gekomen. Voor sommige componenten wordt gelijk al het type gekozen en voor andere componenten alleen het soort. Voor de versnelling is het soort derailleur gekozen aan de hand van een keuzetabel, maar nog niet het type versnelling. Het kiezen van een type versnelling is een stuk complexer dan alle andere componenten.
Als een fietser 1 omwenteling maakt met zijn trapper en zijn achterwiel 2 omwentelingen maakt dan is de overbrengverhouding = 0,5.
Voor het kiezen van een type versnelling moeten er een aantal gebruikssituaties bepaald worden. Aan de hand van deze gebruikssituaties worden een aantal overbrengverhoudingen berekend. Het type versnelling wat gekozen gaat worden moet de berekende overbrengverhoudingen kunnen ondersteunen. Uit de berekening komt een maximale, minimale en een aantal tussenliggende
overbrengverhoudingen. Met de overbrengverhoudingen kunnen we het benodigd aantal tanden van een tandwiel berekenen en zo een bijbehorend tandwiel kiezen.
3.4.1 Gebruikssituaties
Voor het berekenen van een reeks aan overbrengverhoudingen is een reeks aan gebruikssituaties nodig. Voor het berekenen van een maximale overbrengverhouding is een maximale gebruikssituatie nodig waarin een fietser zich kan bevinden. Dit geldt ook voor het berekenen van minimale en tussenliggende overbrengverhoudingen.
Er zijn een zestal gebruikssituaties bepaald die zich in Nederland kunnen afspelen.
1 Het rijden van maximale snelheid, met een maximale belasting van 125 Kg, op een vlakke weg, met een tegenwind van 20 km/h.
2 Het rijden van een lange afstand gedurende een uur, op een vlakke weg met maximale belasting van 125 Kg en een tegenwind van 20 km/h.
3 Het rijden van een lange afstand gedurende een uur, met gemiddelde belasting van 80 Kg, zonder tegenwind.
4 Het kortstondig beklimmen van een helling met een hellingspercentage van 20% gedurende 10 seconden, met een maximale belasting van 125 Kg, zonder tegenwind.
5 Het optrekken vanuit stilstand op een helling met een hellingspercentage van 20 %, met maximale belasting van 125 Kg, zonder tegenwind.
17
3.4.2 Berekening overbrengverhouding
Het bepalen van een overbrengverhouding gaat volgens formule 3-2
(3-2)
Waarbij:
i = Overbrengverhouding [-]
= Toerental van de trapas [omwentelingen/minuut]
nwiel = Toerental van het wiel [omwentelingen/minuut]
Het toerental van de trapas is per gebruikssituatie bekend. Het berekenen van het toerental van het wiel gaat zoals in formule 3-3 is beschreven.
(3-3)
Waarbij:
nwiel = Toerental van het wiel [omwentelingen/minuut]
vvoertuig = Snelheid van het voertuig [meter/seconden]
rwiel = Straal van het wiel [Meter]
Voor het bepalen van overbrengverhoudingen is het dus belangrijk om per gebruikssituatie de snelheid van de E-bike te berekenen. Het berekenen van de voertuigsnelheid is afhankelijk van het beschikbare vermogen aan de trapas en een aantal rijweerstanden, die overwonnen moeten worden. Het berekenen van de voertuig snelheid wordt in drie stappen uitgelegd.
Stap 1 Het berekenen van de voertuigsnelheid:
Het berekenen van de voertuigsnelheid wordt gedaan m.b.v. formule 3-4
(3-4)
Waarbij:
Pwiel = Het vermogen aan het wiel [Watt]
Fwiel = De kracht aan het wiel [N]
vvoertuig = Snelheid van het voertuig [m/s]
Voor het bepalen van de voertuigsnelheid is het vermogen aan het wiel en de kracht aan het wiel nodig. In de volgende twee stappen wordt uitgelegd hoe dit berekend wordt.
18
Stap 2 Het berekenen van het vermogen aan het wiel:
Het vermogen aan het wiel is te berekenen met formule 3-5
(3-5)
Waarbij:
Pwiel = Het vermogen aan het wiel [Watt]
Ptrapas = Het vermogen aan de trapas [Watt]
ηaandrijflijn = Het rendement van de aandrijflijn [%]
Het vermogen per gebruikssituatie aan de trapas is bekend. Weet je het rendement van de aandrijflijn dan weet je ook het vermogen aan het wiel.
Stap 3 Het berekenen van de kracht aan het wiel:
De kracht aan het wiel is de kracht t.g.v. een 4-tal rijweerstanden die overwonnen moet worden om een bepaalde snelheid van het voertuig te behalen. De volgende rijweerstanden hebben invloed op de kracht van het wiel.
- Luchtweerstand - Rolweerstand - Hellingweerstand - Acceleratieweerstand
Al deze afzonderlijke rijweerstanden bij elkaar opgeteld vormt de kracht aan het wiel die
overwonnen moet worden om een bepaalde snelheid te rijden en kan geschreven worden in de vorm van formule 3-6
(3-6)
Hierin is: (3-7) (3-8) (3-9) (3-10)19
Waarbij:
= Dichtheid van lucht [ ]
Cw = luchtweerstandcoëfficiënt [-]
A = Frontaal oppervlak [m2] v = Voertuig snelheid [m/s] vtegen = Tegenwind snelheid [m/s]
= rolweerstandcoëfficiënt [-] = Massa voertuig [Kg] = Massa bestuurder [Kg] g = Gravitatieversnelling [ ] α = Hellingshoek [º] φ = Rotatiefactor [-] a = Versnelling [ ]
Alle gebruikssituaties kunnen berekend worden met voorgaande formules behalve gebruikssituatie 5. Bij gebruikssituatie 5 is er geen snelheid waar mee gerekend kan worden. Deze
overbrengingverhouding wordt berekend met formule 3-11
(3-11)
Waarbij:
i = Overbrengverhouding [-]
= Moment aan het wiel [Nm]
Mtrapas = Moment aan de trapas [Nm]
Het moment voor gebruikssituatie 5 aan de trapas is bekend, waardoor alleen het moment aan het wiel berekent moet worden om uiteindelijk de overbrengverhouding te berekenen. Het moment aan het wiel wordt berekend met formule 3-12
=
20
3.4.3 Voertuigparameter aannames
In de vorige paragraaf is te zien hoe overbrengverhoudingen berekend worden. Ook is te zien dat er veel verschillende voertuigparameters nodig zijn om deze berekeningen uit te voeren. Aangezien het onmogelijk is om sommige voertuigparameters te gaan bepalen terwijl het project nog loopt zijn er een aantal aannames gedaan. Er zijn voertuigparameters aangenomen die voor alle gebruikssituaties behalve de laatste gelden, maar er zijn ook aangenomen voertuigparameters die per gebruikssituatie verschillen. Voor de aannames m.b.t. de voertuigparameters zie bijlage 7.
21
3.4.4 Voorbeeld berekening overbrengverhouding
Ter verduidelijking van het berekenen van de overbrengverhouding wordt een voorbeeld gegeven aan de hand van gebruikssituatie 1. Bij gebruikssituatie 1 horen de voertuigparameters zoals ze te zien zijn in tabel 3.
ρlucht 1,29 Cw 1 A 0,6 frol 0,008 mv 40 mb 125 g 9,81 α 0 ϕ 0 a 0 Ptrapas 650 ηaandrijflijn 0,95 rwiel 0,3556 ntrapas 80 Tabel 3 Voertuigparameters
In het voorbeeld wordt van achter naar voren gewerkt. Eerst wordt formule (3-10) ingevuld, daarna formule (3-9) tot en met formule (3-2) om de uiteindelijke overbrengverhouding te berekenen.
(Invullen formule 3-10) (Invullen formule 3-9) (Invullen formule 3-8) (Invullen formule 3-7) (Invullen formule 3-6) (Invullen formule 3-5) = 7,64 (Invullen formule 3-4) (Invullen formule 3-3) (Invullen formule 3-2)
22
3.4.5 Conclusie overbrengverhouding
In tabel 4 zijn overbrengverhoudingen per gebruikssituatie te zien. Met deze overbrengverhoudingen kan het benodigd aantal tanden berekend worden. De verschillende tanden voor zowel het achter tandwiel als het voor tandwiel kenmerkt het type versnelling.
Gebruikssituatie Overbrengverhouding 1 0,39 2 0,61 3 0,45 4 1,35 5 0,73 6 0,24 Tabel 4 Overbrengverhoudingen
Het berekenen van het aantal tanden gaat volgens formule 3-13.
(3-13)
Waarbij:
i = Overbrengverhouding [-]
= Aantal tanden van het tandwiel aan de achtercassette [-] = Aantal tanden van het tandwiel aan de trapas [-]
Aan de hand van een voorbeeld in tabel 5 kunnen we met bestaande tandwielen de overbrengverhoudingen berekenen en kijken of ze de overbrengingverhoudingen in tabel 4 ondersteunen.
Tanden voortandwiel Overbrengverhoudingen
Zi 30 i1 1,2 j1 0,92 k1 0,72 Zj 39 i2 1,07 j2 0,82 k2 0,64 Zk 50 i3 0,93 j3 0,72 k3 0,56 Tanden achtertandwiel i4 0,8 j4 0,62 k4 0,48 Za1 36 i5 0,7 j5 0,54 k5 0,42 Za2 32 i6 0,63 j6 0,49 k6 0,38 Za3 28 i7 0,57 j7 0,44 k7 0,34 Za4 24 i8 0,5 j8 0,38 k8 0,3 Za5 21 i9 0,43 j9 0,33 k9 0,26 Za6 19 i10 0,37 j10 0,28 k10 0,22 Za7 17
Za8 15
Za9 13
Za10 11
23
3.4.6 Complete aandrijflijn
In tabel 6 zien we de keuze m.b.t. het soort component en het type component die samen
de aandrijflijn vormen. Voor elk soort component is er een keuze gemaakt, maar niet voor
elk type. Het type versnelling is zodanig onderbouwd dat er alleen nog maar een keuze
gemaakt moet worden met de juiste tandwielen en bijbehorende tanden. Pre productie
heeft de meeste praktische ervaring en weten daarom ook welk type overbrenging het beste
gaat functioneren voor de E-bike.
Componenten Soort Type Versnelling Derailleur -Overbrenging Ketting -Elektromotor
bracket
motor Bosch 45 Accu Lithium ion Bosch 45 Controler Sparta Sparta
24
4. Digitalisatie van de frame concepten
In het vorige hoofdstuk is uitgebreid beschreven hoe de aandrijflijn tot stand is gekomen. In dit hoofdstuk wordt beschreven hoe de gedigitaliseerde frame concepten tot stand zijn gekomen. De concepten (zie figuur 4 en 5) worden gedigitaliseerd naar een ontwerpprogramma, genaamd Solidworks. Het digitaliseren van de frame concepten is nodig voor de digitale simulaties, maar ook voor de frame leverancier die de frames verwezenlijken.
Een frame ontwerp moet voldoen aan de Europese norm EN 14764, maar ook aan richtlijnen die Sparta zelf heeft opgesteld. Tijdens het bedenken van de concepten is hier zoveel mogelijk rekening mee gehouden, maar het is onmogelijk om met alle normen en richtlijnen rekening te houden. De eerste stap in het ontwerpen van een frame is het gebruik maken van een zogenaamde
basisgeometrie die functioneert als onderlegger voor het ontwerp. De basisgeometrie stelt de zelf opgestelde richtlijnen van Sparta voor
4.1 Basisgeometrie
De basisgeometrie beschrijft d.m.v. vastgelegde en vrije dimensies waarbinnen een ontwerper kan ontwerpen. Je kunt het een ontwerpruimte noemen. Voor dit project is er voor het type touring gekozen omdat dit type het beste aansluit op de doelgroep. Van het type touring zijn weer acht verschillende basisgeometrien beschikbaar. één van de acht basisgeometrien is te zien in figuur 12 en wordt gekenmerkt door een zithoogte van 610 mm en een frame lengte van 590 mm. De zithoogte en frame lengte verschillen per basisgeometrie. De overige omcirkelde dimensies zijn bij elke 8 basisgeometrien hetzelfde. Bij het opstellen van de basisgeometrie is geen rekening gehouden met een middenmoter die in dit project gebruikt gaat worden. Door het toepassen van een middenmoter moest de achter brug lengte van 460mm vergroot worden naar 470mm. Dit geldt dus voor alle basisgeometrien van het type touring.
Het is niet de bedoeling om de overige vrije dimensies zomaar aan te gaan passen. Deze vrije dimensies zijn voortgekomen uit de ervaring die Sparta heeft en hebben grote invloed op de
rijeigenschappen. Het is wel mogelijk om af te stappen van de rechte lijnen in de basisgeometrie om zo mooie vormgeving te kunnen creëren. In dit project worden twee basisgeometrien uitgewerkt, namelijk een dames frame met een zithoogte van 480 mm en een heren frame met een zithoogte van 650 mm. Deze basisgeometrien zijn tijdens de testen op het frame het meest kritisch. Met de gekozen basisgeometrie kan een begin gemaakt worden aan het ontwerp.
25
4.2 Gekozen componenten
De basisgeometrie wordt als onderlegger gebruikt voor het digitaliseren van de frame concepten. Op de basisgeometrie plaatsen we een aantal componenten, die we van te voren gekozen hebben. Tussen de gekozen componenten die op de basisgeometrie geplaatst zijn, kunnen de overige
componenten ontworpen worden. De gekozen componenten zijn de motor ophanging, het balhoofd en de drop-outs en worden in de volgende twee paragrafen toegelicht.
4.2.1 Motor ophanging
Er is door Bosch een opzet gemaakt voor de motor ophanging (zie figuur 13) om aan te geven waar de motor aan de motor ophanging bevestigd kan worden. De opzet laat alleen maar een voorbeeld zien van hoe het zou kunnen. Het is dus mogelijk om de geleverde ophanging aan te passen naar wens, maar wel zodat de motor nog opgehangen kan worden. In dit project wordt de ophanging gelaten zoals Bosch hem geleverd heeft. Later kunnen altijd aanpassingen gedaan worden.
Figuur 13 Bosch motor ophanging
De frame buizen sluiten dus nu aan op de motor ophanging i.p.v. bij een normale fiets op de crank waar de trappers bevestigd zitten. Zie figuur 14 en 15.
26
4.2.2 Balhoofd en drop-outs
Het balhoofd (zie figuur 17) bestaat uit drie componenten, namelijk het balhoofd zelf en twee verloopstukken die je boven en onder in het balhoofd perst. In de verloopstukken (zie figuur 16) komen de lagers te zitten en in de lagers komt de voorvork te zitten. De verloopstukken met bijbehorende lagers zijn dus kenmerkend voor de grote van de voorvork en kenmerkend voor de grote van het balhoofd. Om een robuuste uitstraling te creëren is er gekozen voor het grootste type voorvork die beschikbaar is, in het product assortiment van Sparta. Hierbij horen dus bestaande verloopstukken. Bij elk fiets ontwerp wordt gekozen uit bestaande drop-outs (zie figuur 18). Een drop-out is het einde van de achter brug
Figuur 16 Verloopstuk Figuur 17 complete balhoofd Figuur 18 Drop-outs
4.2.3 Plaatsing gekozen componenten in basisgeometrie
De basisgeometrie wordt zoals al eerder vermeld gebruikt als onderlegger. De gekozen componenten worden op hun plek geplaatst zoals te zien is in figuur 19. Tussen deze gekozen en geplaatste
componenten kunnen de overige componenten ontworpen worden.
Figuur 19 Gekozen componenten in de basisgeometrie
27
4.3 Ontworpen componenten
Nu de gekozen componenten in de basisgeometrie verwerkt zijn kunnen de overige componenten ontworpen worden. Bij het ontwerpen van de overige componenten is veel vrijheid m.b.t. de vormgeving. In de basisgeometrie zijn veel rechte lijnen te zien, maar hier kan van worden afgeweken om de juiste vormgeving te creëren.
De overige componenten zijn: - Accubuis
- Bovenbuis - Onderbuis - Achter bruggen
In de paragrafen 4.3.1 t/m 4.3.5 worden bovenstaande componenten kort toegelicht.
4.3.1 Accubuis
Tijdens het ontwerpen van de accubuis moet er rekening mee gehouden worden dat Bosch alleen maar complete systemen levert. Dat wil zeggen dat ze hun motor inclusief accu en controler verkopen. Er is besloten om de batterijen die aanwezig zijn in de accu van het Bosch systeem te gebruiken als referentie voor het ontwerpen van de accubuis. De accubuis maakt onderdeel uit van het frame waarin de zelf ontworpen accu geplaatst kan worden. De accubuis vervangt ook nog een deel van het spatbord aangezien het de contouren van het achterwiel volgt. De accubuis is te zien in figuur 20.
Als we naar het profiel van de accu in figuur 21 kijken zien we dat het geen vierkant is. De hoekige afrondingen zijn gekozen i.v.m. de robuuste uitstraling die het frame uiteindelijk moet hebben. De mooie ronding aan de onderkant van het profiel zorgt uiteindelijk voor de accu geleiding. Het profiel wordt geextrudeerd aan de hand van de contouren van het achterwiel.
28
4.3.2 Bovenbuis
Vanaf het balhoofd gezien verloopt het profiel uit figuur 23, via een bepaalde gekromde lijn, naar het profiel uit figuur 24. De zitbuis gaat dwars door de bovenbuis heen. Het einde van de bovenbuis komt uiteindelijk op de accubuis terecht. De profielen zijn zo gekozen om een robuuste uitstraling te creëren. De bovenbuis is te zien in figuur 22.
Figuur 23 Profiel linker uiteinde
Figuur 22 Bovenbuis Figuur 24 Profiel rechter uiteinde
4.3.3 Onderbuis
De onderbuis verloopt ook zoals de bovenbuis vanaf het profiel in figuur 23 naar het profiel in figuur 24, maar alleen via een andere gekromde lijn. De profielen die de onderbuis beschrijven zijn wel hetzelfde als de profielen van de bovenbuis, maar ze hebben net iets andere dimensies zoals te zien is in figuur 25.
29
4.3.4 Achter bruggen
De achter brug onder (zie figuur 26) wijkt niet zoveel af van de gebruikelijke achter bruggen die bij de meeste fietsen/elektrische fietsen gebruikt worden. Er is gekozen voor een iets dikkere achter brug t.o.v. de gebruikelijke achterbruggen en de profielen zijn wat meer ovaal gemaakt om een robuuste uitstraling te creëren.
De achter brug boven (zie figuur 27) is bijna identiek aan de achter brug onder. Ze hebben beide dezelfde profielen alleen volgend ze andere contouren die overigens nauwelijks met het oog te zien zijn.
30
4.4 Gedigitaliseerde frame concepten
Alle componenten die ontworpen zijn, zijn in de vorige paragrafen kort beschreven en kunnen nu bij de gekozen componenten in de basisgeometrie geplaatst worden. Het plaatsen van deze overige componenten resulteert in een heren frame zoals te zien is in figuur 28.
De concepten uit figuur 4 en 5 zijn nu wel uitgewerkt tot digitale frames, maar kunnen nog niet definitief genoemd worden. Verschillende afdelingen binnenin Sparta moeten samen besluiten of ze de E-bike in productie willen nemen. Wordt de E-bike in productie genomen dan is het aan de ingenieurs om het detail werk af te ronden. Er kan hierbij gedacht worden aan steuntjes, gaten voor kabels, kleine aanpassingen etc.
Figuur 28 Heren frame
Het dames frame zoals te zien is in figuur 29 is bijna identiek aan het herenframe. De bovenbuis van het herenframe is weggehaald voor een lage instap. In plaats van de bovenbuis van het herenframe is er een bovenbuis voor het dames frame ontworpen. De zadelpen wordt bij het dames frame vastgehouden door een klein buisje die op de accubuis zit.
Figuur 29 Dames frame
31
5 Digitale frame simulaties m.b.t. sterkte, stijfheid en
vermoeiing
Beide frames moeten voldoen aan de Europese norm EN 14764, waarin een drietal testen beschreven staan. De drie testen kunnen uitgevoerd worden in de praktijk, maar ook digitale simulatie is mogelijk. Sparta doet zowel praktijk testen als digitale simulaties. De uitkomsten van de digitale simulaties worden gevalideerd door de praktijk testen. In dit project is het de bedoeling om beide frames digitaal door te rekenen met het software programma Solidworks Simulation. Beide frames moeten sterk genoeg zijn en eventueel als het mogelijk is lichter gemaakt worden.
5.1 Omschrijving van de gebruikte testen
De testen, die op de praktijk gebaseerd zijn, worden afzonderlijk beschreven. Later in het verslag moeten deze praktijk testen omgezet worden naar digitale simulaties.
Het gaat hierbij om de volgende testen: - Zadelpen test
- Out of saddle - Botsproef
5.1.1 Zadel pen test
De zadelpen test is een test waarbij gekeken wordt wat de invloed van het gewicht van een persoon op het frame is. De zadelpen test wordt aan de hand van figuur 30 uitgelegd.
Figuur 30 Zadelpen test
Het frame wordt ingeklemd aan het einde van de voorvork (1) en aan het einde van de achter brug. Hoe deze punten 1 en 4 ingeklemd worden komt later in het verslag aan de orde. In het frame wordt een zadelpen (h) gestoken, waaraan bovenop een verlengstuk zit. Het verlengstuk moet een zadel na bootsen. Aan het einde van het verlengstuk wordt een kracht uitgeoefend van 1200 Newton. 1200 Newton is ongeveer 120 Kilogram. De kracht wordt 50000 keer op het verlengstuk uitgeoefend.
32
5.1.2 Out of saddle
De out of saddle test is een test waarbij gekeken wordt wat de invloed van het om en om belasten van de trappers is op het frame. Als fietser oefen je tijdens het fietsen om en om kracht uit op de trappers. We leggen de out of saddle test uit aan de hand van figuur 31.
Figuur 31 Out of saddle
Het frame wordt zoals bij de zadelpen test ingeklemd aan het einde van de voorvork en aan
het einde van de achter brug, maar de manier waarop het frame ingeklemd wordt gebeurd
op een hele andere manier en is terug te vinden in bijlage 9.1.3. Onder een hoek worden op
beide trappers een kracht van 1000 Newton uitgeoefend. De krachten worden om en om op
de trappers (5) uitgeoefend. De trappers zijn d.m.v. een ketting (6) verbonden aan de
achteras van het frame. De kracht wordt per trapper 100000 keer uitgeoefend, maar wel om
en om.
5.1.3 Botsproef
De botsproef laat zien wat de invloed van een werkelijke botsing op het frame kan zijn. We
leggen de botsproef aan de hand van figuur 32 uit.
Bij de botsproef wordt het frame rechtop gezet en ingeklemd aan het
einde van de achter brug. Het frame is voorzien van een voorvork
waarop van een bepaalde hoogte een gewicht valt.
33
5.2 Opbouw van het eindige elementen rekenmodel
De testen in voorgaande paragrafen moeten nu vertaald worden naar digitale simulaties. Deze digitale simulaties worden uitgevoerd om dure praktijk testen te voorkomen en te concluderen of een ontwerp sterk genoeg is. Is een ontwerp niet sterk genoeg dan kunnen eenvoudig aanpassingen gedaan worden zonder dat er weer een dure praktijk test gedaan moet worden. Is een ontwerp sterk genoeg dan kunnen we d.m.v. deze simulaties het ontwerp lichter maken. De digitale simulaties besparen dus een hoop tijd en geld. Als een ontwerper tevreden is met zijn digitale simulatie, dan wordt de simulatie gevalideerd aan de hand van een praktijk test.
5.2.1 Eindige elementen methode
Deze simulaties worden uitgevoerd in het programma Simulation van Solidworks. Simulation werkt volgens de eindige elementen methode en wordt kort uitgelegd aan de hand van een soort van hoek profiel die we zien in figuur 33.
Figuur 33 Hoek profile Figuur 34 Elementen model Figuur 35 Krachten en inklemmingen
Simulation deelt het component in figuur 33 op in allemaal lijnen (zie figuur 34) ofwel elementen genoemd. Één element wordt d.m.v. een zogenaamd knooppunt verbonden met een ander element, meestal vormen meerdere elementen een driehoek met elkaar. De elementen beschrijven nu de contouren van het component. Aan het component wordt een materiaal toegekend met allemaal eigenschappen, daarna wordt het component ingeklemd (zie de groene pijlen in figuur 35) en wordt er een kracht op uitgeoefend zoals de paarse pijlen in figuur 35 weergeven. De computer rekent d.m.v. wiskundige formules een aantal dingen uit waaronder de verplaatsing en spanningen van het hoek profiel. Aan de hand van deze uitkomsten kunnen conclusies getrokken worden en eventuele aanpassingen gedaan worden.
34
De uitkomst van de verplaatsing is te zien in figuur 36. Aan de hand van kleuren is te concluderen waar de grootste verplaatsingen zijn. Er kan ook getalsmatig worden achterhaald hoe groot de verplaatsing op een bepaald knooppunt is. Dit geldt ook voor spanningen.
5.2.2 Opbouw zadelpen test heren frame
We leggen de opbouw van de digitale simulaties uit aan de hand van één test, de zadelpen test van het heren frame. De zadelpen test staat beschreven in paragraaf 5.1.1. De zadelpen test wordt digitaal opgebouwd uit 2 simulaties. Waarom volgt later in het hoofdstuk. De opbouw van één digitale simulatie wordt beschreven. Het heren frame is ontworpen in Solidworks en wordt gesimuleerd in Simulation. Simulation is een zogenaamde add in van Solidworks. Het ontworpen heren frame kan dus zonder aanpassingen gebruikt worden voor simulaties m.b.v. Simulation. Om het heren frame digitaal op te bouwen voor de berekening zijn er een aantal stappen die doorlopen moeten worden. Het gaat hierbij om de volgende stappen:
- Study type - Model information - Fixtures - Loads - Contact information - Mesh information
Alle stappen worden in afzonderlijke paragrafen beschreven.
5.2.2.1 Study type
Het eerste wat gedaan wordt is het kiezen van een study type. Een study type beschrijft de manier waarop een simulatie doorgerekend moet worden. In Simulation zijn meerdere study types mogelijk. In dit project worden er maar drie gebruikt, namelijk:
- Static
- Lineair Dynamic - Fatique
35
Voor de zadelpen test van het heren frame wordt eerst een static study gekozen. Hiermee wordt gekeken of het frame bij eenmalige belasting niet bezwijkt. Als het niet bezwijkt wordt er een fatique study aangemaakt om het effect op het frame van meerdere belastingen te analyseren. Het kiezen van een study type kan alleen maar gedaan worden door iemand met theoretische kennis van de sterkteleer. Bij het kiezen van een study worden automatische de study properties ingesteld. Je kunt deze wijzigen, maar bij de zadelpen test was dit niet nodig.
5.2.2.2 Model information
Bij de stap ‘model information’ kan je opgeven hoe een component of delen van een component die samen het frame vormen behandelt worden. Je kunt een component of delen van een component behandelen met de volgende methodes:
- Shell elementen - Solid elementen - Beam elementen - Rigid elementen
Het toekennen van een behandel methode wordt gedaan om waar het kan de rekentijd te doen verkorten. Bij de opbouw van de zadelpen test wordt gebruik gemaakt van solid elementen en shell elementen.
Solid elementen werken met elementen in de dikte (zie figuur 37) en shell elementen werken vanaf een gekozen plane met een toegekende getalswaardige dikte (zie figuur 38). De uitkomst van een digitale simulatie van een shell element t.o.v. een solid element heeft een afwijking van maximaal 1 %. Een shell element is dus onnauwkeuriger, maar verkort de rekentijd wel aanzienlijk.
Figuur 37 Solid elementen Figuur 38 Shell elementen
Bij een shell element wordt getalsmatig de dikte toegekend. Hiervoor zijn twee opties, namelijk Thin en Thick. Thin en Thick wordt gekozen aan de hand van formule 4-1 en 4-2.
(4-1)
(4-2)
Als de verhouding tussen de lengte en de dikte van het component buiten bovenstaande formules valt, moet er gebruik gemaakt worden van Solid elementen. Welke componenten of delen van componenten opgebouwd zijn uit shell of solid elementen is terug te vinden in bijlage 9.1.1 onder het kopje ‘model information’.
36
5.2.2.3 Fixtures
Een fixture is een inklemming. Het gedigitaliseerde frame staat nu nog vrij In de ruimte. Het frame heeft zes zogenaamde vrijheidsgraden. drie translatie vrijheidsgraden en drie rotatie vrijheidsgraden. Aan de hand van figuur 39 leggen we het begrip vrijheidsgraden uit. Het frame kan zich in drie richtingen verplaatsen, namelijk in de richting van de x, y en z as. Het frame kan ook in drie richtingen roteren, namelijk om de x, y en z as.
Bij het aanbrengen van een fixture wordt meestal een deel van een component opgegeven, waarbij je beschrijft hoe de vrijheidsgraden zich op dat deel van het component mogen gedragen. Bij de zadelpen test van het heren frame is een fixed hinge als fixture aangebracht, op de vlakken waar normaal de as van het achterwiel zit. Zie figuur 40. Een fixed hinge is een voorgeschreven fixture en geeft aan dat de gekozen vlakken alleen maar om de x-as mogen roteren. De paarse lijnen in figuur 41 zijn verbonden met de binnenkant van het balhoofd en lopen naar de as van het voorwiel. Deze lijnen stellen de voorvork voor. Het einde van de voorvork die op de as van het voorwiel zit, mag zich verplaatsen in z richting en mag roteren om de x-as. Het frame is nu bij het balhoofd en bij de drop-outs ingeklemd. Voor de uitgebreide beschrijving van de fixtures zie bijlage 9.1.1.
Figuur 39 Vrijheidsgradenstelsel Figuur 40 Fixed hinge fixture Figuur 41 Voorvork inklemming
5.2.2.4 Loads
Loads zijn krachten. Krachten kunnen vrij eenvoudig aan bepaalde component delen van het frame worden toegekend. Zoals we in figuur 30 kunnen zien, grijpt de kracht aan het einde van het verlengstuk aan.
In figuur 42 zien we een kracht via paarse lijnen aangrijpen op de zitbuis. In werkelijkheid zit er in plaats van de paarse lijnen een zadelpen + een verlengstuk, maar deze zijn weggelaten en d.m.v. de paarse lijnen als oneindig stijf beschouwd. Oneindig stijf wil zeggen dat in dit geval de kracht de paarse lijnen kan verplaatsen, maar de lijnen kunnen zelf niet vervormen. De vervormingen en spanningen op het frame worden daardoor hoger dan in werkelijkheid en Hiermee dient rekening gehouden te worden tijdens de analyse fase. Het analyseren komt later in het verslag aan de orde. Meer uitgebreide informatie over de kracht is terug te vinden in bijlage 9.1.1 onder het kopje ‘loads en fixtures’.
37
5.2.2.5 Contact information
In voorgaande stappen hebben we een study aangemaakt, verschillende behandel methods toegekend aan verschillende delen van componenten, het frame ingeklemd en een kracht op het frame aangebracht.
Bij de opbouw van de zadelpen test zijn verschillende behandel methodes toegekend aan verschillende componenten of delen van componenten.
De computer beschouwd een shell element en een solid element die in werkelijkheid aan elkaar vast zitten als los. Het is dus noodzakelijk om deze verschillende behandel methodes waar nodig is handmatig aan elkaar vast te zetten. Dit wordt gedaan met contacts.
We leggen contact uit aan de hand van figuur 43. Bij een shell element zoals de onderbuis van het herenframe, selecteer je de contouren van het component zoals met lichtblauw is aangegeven. De onderbuis behandeld als shell is verbonden met de motor ophanging, dat als solid is behandeld. Bij een solid element selecteer je de zogenaamde face (in het paars), waar de lichtblauwe contouren van de onderbuis op vast komen te zitten. Dit geldt voor alle overige componenten. De contacts van het heren frame zijn terug te vinden in bijlage 9.1.1 onder het kopje ‘contact information’.
38
5.2.2.6 Mesh information
Mesh is de verzamelnaam voor alle elementen bij elkaar. Nu alle instellingen gemaakt zijn, wordt het model gemeshed, dat wil zeggen opgedeeld in de verschillende elementen. In plaats van het 3D model bepalen de elementen nu de contouren van het model. De mesh van het herenframe ziet er uit zoals te zien is in figuur 44. De oranje delen zijn shell elementen en de grijze delen zijn solid elementen. De laatste stap wordt gedaan door de computer en is het uitrekenen van de uitkomst.
Figuur 44 Mesh heren frame
In paragraaf 5.2 hebben we één van de twee digitale simulaties beschreven die bij de zadelpen test horen. De twee digitale simulaties vormen samen de zadelpen test in paragraaf 5.1.1. De drie testen beschreven in paragraaf 5.1 zijn onder te verdelen in meerdere digitale simulaties, namelijk:
Zadelpen test
- Static study - Fatique study
Out of saddle
- Static study (kettingzijde) - Static study (niet-kettingzijde) - Fatique study (gecombineerd)
Botsproef
39
Bij de zadelpen test wordt er als eerst een static study gesimuleerd om te controleren of het frame heel blijft bij eenmalige belasting. Is dit namelijk niet het geval, dan heeft het ook geen zin om het frame te controleren bij wisselende belasting. Is het frame sterk genoeg, dan wordt er een zogenaamde fatique study gesimuleerd, waarin de kracht op het frame 50000 keer aangrijpt. Bij de out of saddle test wordt precies hetzelfde gedaan als bij de zadelpen test, alleen wordt eerst gecontroleerd of het frame niet bezwijkt op eenmalige belasting op de trapper aan de kettingzijde en ook voor de belasting op de andere trapper geldt dit. Daarna worden beide static study’s gecombineerd in een fatique study, waarin de belastingen op beide trappers 100000 keer aangrijpen.
Bij de botsproef wordt geen gebruik gemaakt van een static study. Omdat de kracht bij een static study langzaam vanaf 0 tot aan zijn eindwaarde oploopt. Dat wil dus zeggen dat je de voorvork vasthoudt en er langzaam tegen aan gaat duwen tot en met de maximale waarde. In
werkelijkheid valt er een gewicht op, waardoor de voorvork kort wordt aangestoten. Dit is te simuleren met een lineair dynamic study. Je stoot de voorvork aan met een bepaalde kracht in een bepaalde tijd, waardoor het totale frame in een bepaalde eigenfrequentie komt.
De opbouw van de overige simulaties, voor zowel het heren frame als het dames frame, zijn terug te vinden in bijlage 9. In bijlage 9 zijn de afzonderlijke stappen voor de opbouw van de simulaties uitgebreid in kaart gebracht.
40
5.3 Resultaten zadelpen test heren frame (static study)
In paragraaf 5.2 is stap voor stap uitgelegd hoe de zadelpen test van het heren frame in Simulation is opgebouwd (static study). Met één muisklik gaat de computer het model d.m.v. wiskundige formules doorrekenen en weergeeft na verloop van tijd de resultaten. De resultaten die geanalyseerd worden hebben te maken met verplaatsingen en spanningen. De maximale verplaatsing van het heren frame is niet meer als 1 mm. Kijken we naar een soortgelijke praktijk test, dan zie we ook hier dat de verplaatsing bij een goed frame niet meer is als 1 mm. De verplaatsing hoeft dus niet verder geanalyseerd te worden.
Op het frame zijn twee maximale punten te vinden, waar de hoogste spanningen optreden. Het eerste punt is op de accubuis zoals te zien is in figuur 45. Het tweede punt is op de zadelbuis zoals te zien is in figuur 46.
Figuur 45 Piekspanning Accubuis Figuur 46 Piekspanning Zitbuis
De maximale spanning zoals Simulation aangeeft is 194 en treed op in de accubuis zoals te zien is in figuur 45. Echter is hier sprake van een singularity. Alle eindige elementen pakketen waaronder Simulation hebben hier last van. Een singularity is een niet werkelijk optredende piekspanning op hoekige punten. Een singularity is in eerste instantie te herkennen aan de niet vloeiende overgang van kleuren. Om er zeker van te zijn of er sprake is van een singularity, moet het gebied rondom de piekspanning geanalyseerd worden. Je meet net buiten de piekspanning en kijkt wat de spanning is, daarna verfijn je de mesh en laat je het model opnieuw doorrekenen. Wordt de piekspanning hoger, maar niet de spanning waar je gemeten hebt, dan kan je spreken van een singularity en de spanning waar je gemeten hebt als werkelijk optredende spanning gebruiken.
Voor beide piekspanningen is deze manier toegepast (Zie figuur 47 en 48). Het komt er uiteindelijk op neer dat de werkelijke maximale piekspanning niet optreed op de accubuis, maar in de zitbuis en die spanning is 110 .
41
Figuur 47 Werkelijke piekspanning accubuis Figuur 48 Werkelijke piekspanning zitbuis
De vraag is natuurlijk of die 110 binnen de grenzen valt. Het materiaal dat gekozen is, is aluminium 6061 T6 en heeft een vloeigrens van 275 . Het woord geeft het al aan. Bij een
spanning van 275 gaat het materiaal vloeien. Voor een veilige constructie is het een vereiste om een maximale piekspanning te hebben die van de vloeigrens is. De maximale spanning mag dus niet meer bedragen dan 183 .
Er kan geconcludeerd worden dat het materiaal van het heren frame, tijdens de zadelpen test bij eenmalige belasting niet gaat vloeien. Het frame kan ook nog bezwijken op andere verschijnselen zoals vermoeiing, knik en afschuiving. De constructieve vorm van het heren frame laat geen knik en geen afschuiving toe. Het frame moet nog wel getest worden op meerdere belastingen (Vermoeiing). De resultaten van de overige simulaties zijn terug te vinden in bijlage 9.
42
6 Conclusies en aanbevelingen
De vraagstelling waarop in dit verslag antwoord gezocht wordt, luidt:
- Welke componenten moeten gekozen worden om de aandrijflijn te vormen? - Voldoen de frame concepten aan de Europese norm EN 14764?
De componenten van de aandrijflijn zijn gekozen aan de hand van een aantal stappen. De
componenten worden onderverdeeld in soorten en typen. bij elk soort een keuze gemaakt wordt, maar niet bij elk type. Sommige types zijn zo ver onderbouwd zodat de afdeling Pre-Productie alleen nog maar een keuze hoeft te maken. De afdeling Pre-Productie heeft namelijk de meeste praktische ervaring.
De gekozen componenten zowel soort als type zijn te zien in tabel 7.
Achter elk component in tabel 7 staat een nummer. De nummers met bijbehorende componenten zijn terug te vinden in figuur 49. Van de versnelling (1) is alleen het soort weergeven. Het type wordt door de afdeling Pre-Productie gekozen en is afhankelijk van verschillende tanden op de tandwielen. Het soort overbrenging is gekozen. Het type overbrenging wordt overgelaten aan de afdeling Pre-Productie.
Bosch verkoopt hun systeem alleen compleet. Dat wil zeggen een elektromotor (4), een accu (3) en een display (5). De elektromotor gaat gebruikt worden en is speciaal ontwikkeld voor de
ondersteuning van E-bikes. In de accu zitten cellen. Deze cellen worden er uitgehaald en in een nieuw jasjes gestoken om zo in de frame concepten te kunnen integreren. Sparta gaat hun eigen controller gebruiken die op dit moment in ontwikkeling is.
Componenten Soort Type Versnelling (1) Derailleur -Overbrenging (2) Ketting -Elektromotor (4)
bracket
motor Bosch 45 Accu (3) Lithium ion Bosch 45 Controler (3) Sparta Sparta
43
De frame concepten voldoen aan de Europese norm EN 14764, met uitzondering van de fatique study (vermoeiing analyse) op de out of saddle test voor zowel het heren frame als het dames frame. De fatique study op de out of sadlle test voor zowel het heren frame als het dames frame heeft niet plaats kunnen vinden i.v.m. een error in het programma. Solidworks is hier mee bezig. Voor deze study kunnen dus geen conclusies getrokken worden.
De piekspanningen tijdens de simulaties treden op in de lassen.
De zogenaamde von mises spanning is bij geen enkele simulatie hoger dan van de vloeigrens. De grens voordat het materiaal gaat vloeien is op van de vloeigrens gezet, omdat er ook dynamische belastingen kunnen optreden. Er is dus sprake van een veiligheidsfactor. De von mises spanningen waren de grootst optredende spanningen en kunnen een ruimtelijke spanning toestand vergelijken met een lijn spanning toestand.
Bij sommige simulaties worden hogere spanningen aangegeven dan toegestaan is. Echter is hier sprake van het verschijnsel singularity. Een singularity is een veelvoorkomend probleem in elk eindig elementen pakket en weergeeft onjuiste spanningen. Rondom deze onjuiste spanningen is goed te meten wat de werkelijke spanningen zijn en deze zijn lager dan van de vloeigrens.
Beide frames blijven heel na het 50000 keer aangrijpen van de kracht, tijdens de zadelpen test.
Bij geen enkele simulatie bezwijken de frames op knik of afschuiving. De maximale verplaatsing bedraagt niet meer als 1 mm en is acceptabel.
De kritieke punten op het frame zijn zoals te zien is in figuur 50 en 51. Als het einde van de buizen meer naar de zijkanten van de accubuis geleid worden, zullen de hoge piekspanningen verdwijnen, waardoor het mogelijk is om de frame concepten lichter te maken. Het is niet mogelijk om te zeggen waar het frame lichter gemaakt kan worden, omdat na het wegwerken van de kritieke punten de resultaten qua spanningen en vervormingen anders zijn.
Figuur 50 Kritiek punt heren frame Figuur 51 Kritiek punt dames frame
44
Literatuurlijst/Bronvermelding
Menselijke bronnen:M1
Naam Ing. Fred van Gerven Bedrijf Sparta B.V.
Functie Research & Development Manager Datum Doorlopend
M2
Naam Ing. Maarten van Raaij Bedrijf Sparta B.V.
Functie Ion Research & Development Hardware Engineer Datum 18-10-2011
M3
Naam Ing. A.J.P.M. Mekel Bedrijf HTS-Autotechniek Functie Docent Datum Doorlopend M4 Naam Drs W.H. Janssen Bedrijf HTS-Autotechniek Functie Docent Datum Doorlopend M5
Naam Ir. Rens Horn Bedrijf HTS-Autotechniek Functie Docent
45
M6
Naam Ing. Martijn Visser Bedrijf CAD2M B.V. Functie CAD/CAE Engineer
Datum 20-10-2011, 31-10-2011, 06-10-2011
Geschreven bronnen:
G1
Titel Sterkteleer Schrijver Russell C. Hibbeler Jaar 2007
Uitgever Pearson Education G2
Titel Systematische natuurkunde 1 Schrijver Drs. J.W. Middelink
Jaar 1978
Uitgever Van Walraven B.V. Apeldoorn G3
Titel Voertuigmechanica Schrijver Ing. T. Kamerling Jaar 2002
Uitgever Hogeschool Arnhem/Nijmegen G4
Titel Ontwerp van autotechnische constructie-elementen 1 Schrijver Ir. W.J. de Vreede
Jaar 2004
46
Internet bronnen: Websitehttp://www.flyer-fietsen.nl
Schrijver Onbekend Urlhttp://www.flyer-fietsen.nl/over-flyer/
Datum Onbekend Websitehttp://www.elektrischefietsen.com
Schrijver Anderlecht Urlhttp://www.elektrischefietsen.com/?p=3688
Datum 01-09-2011 Websitehttp://www.electronomics.org
Schrijver Onbekend Urlhttp://www.electronomics.org/sub_motorefficiency.htm
Datum 2006 Websitehttp://www.velofilie.nl
Schrijver Wiel van den Broek
Url
