Ontwerp en bouw van een rolweerstandsmeetsysteem in een wielentestbank Bjarne Broux
Promotoren: prof. ir. Tom Claessens, dhr. Bert Maes (Vulkoprin NV) Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de industriële wetenschappen: elektromechanica
Vakgroep Industriële Technologie en Constructie Voorzitter: prof. Marc Vanhaelst Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2014-2015
"De auteur geeft de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de bepalingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef." "The author gives permission to make this master dissertation available for consultation and to copy parts of this master dissertation for personal use. In the case of any other use, the copyright terms have to be respected, in particular with regard to the obligation to state expressly the source when quoting results from this master dissertation."
Voorwoord Met dit dankwoord maak ik van de gelegenheid gebruik om enkele mensen te bedanken. Vooreerst mijn oprechte dank aan mijn beide promotoren. Dhr. Bert Maes was altijd bereid om mijn werk te evalueren en bij te sturen. Bovendien verduidelijkte hij wat er van mij verwacht werd. Ook dhr. Tom Claessens verdient een speciaal woord van dank. Doorheen het jaar kon ik steeds bij hem terecht met mijn vragen. Via geregeld ingeplande overlegmomenten volgde hij het werk van op de voet. Bovendien las hij het geschreven werk meermaals na. Op basis van zijn bemerkingen werden de teksten waar nodig bijgestuurd. Daarnaast wil ik ook de werknemers van het bedrijf Vulkoprin bedanken. De afgelopen maanden waren zij altijd bereid om me te helpen bij het uitvoeren van de aanpassingswerken aan de testbank. Het zijn er te veel om ze allemaal bij naam te noemen, maar elk van hen verdient een bedanking. Ook aan dhr. Alleman, een woord van dank. Als mijn oud-leerkracht ontwikkelde hij de oorspronkelijke sturing van de testbank. Hij heeft me wegwijs gemaakt in de sturing en gaf enkele tips voor de aanpassingswerken. Alsook door het leveren van de nodige software gaf hij me ondersteuning. Mijn familie verdient eveneens een vermelding in dit dankwoord. Zij hebben me altijd gesteund en me de mogelijkheid gegeven om mijn opleiding de voorbije vier jaar met succes te doorlopen. Ten slotte nog een speciaal woord van dank aan mijn vrienden. Zij zorgden ten gepaste tijde voor de nodige ontspanning. Sommige onder hen hebben mijn Engelstalig extended abstract nagelezen en tips gegeven om deze te verbeteren. Bjarne Broux Tielt, mei 2015 I
Abstract Deze
masterproef
heeft
als
onderwerp
“ontwerp
en
bouw
van
een
rolweerstandsmeetsysteem in een wielentestbank” en is ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de industriële wetenschappen: Elektromechanica. In opdracht van de firma Vulkoprin uit Tielt is hun wielentestbank aangepast om voortaan de rolweerstand van hun wielen te kunnen bepalen. Na een korte inleiding over dit bedrijf volgt een literatuurstudie. Hierin wordt onderzocht welke meetmethodes kunnen worden aangewend om de rolweerstand te bepalen en welke theoretische berekeningsmethodes hiervoor voorhanden zijn. Op basis van de doelstellingen, die zijn opgesplitst in mechanische en elektrische doelen, wordt de originele wielentestbank aangepast. Alles begint met een conceptanalyse waar gezocht wordt naar het beste mechanische concept. Op basis van de uitkomst van deze analyse volgt de uitwerking in een CAD-pakket, een sterkte-analyse d.m.v. de Eindige Elementen Methode (EEM) en ten slotte een voorstelling van het eindresultaat van de mechanische aanpassingen. Een tweede luik omvat de wijzigingen aan het elektrische deel. Het hoofdstuk sturing bevat een beschrijving van de opbouw van de sturing, de doorgevoerde aanpassingen en de software. Deze software is zelf geschreven in Visual Basic en vormt de schakel tussen de wielentestbank en de gebruiker. Daarna komt een theoretische uiteenzetting en een beschrijving over de manier waarop de meetresultaten moeten worden verwerkt en geïnterpreteerd. Dit wordt gevolgd door de resultaten van enkele uitgevoerde rolweerstandsmetingen. Om af te sluiten is in dit werk een kort stukje opgenomen die de toekomstmogelijkheden van de wielentestbank beschrijft.
II
Design and construction of a rolling resistance measurement system in a wheel test bench Bjarne Broux Supervisors: prof. ir. Tom Claessens (Ghent University), ing. Bert Maes (Vulkoprin NV) Abstract This paper gives an overview of the master dissertation on the design and construction of a rolling resistance measurement system in a wheel test bench. Firstly, the implemented adjustments on the test equipment will be explained to clarify the used test setup. Next, the formulas needed to calculate the rolling resistance force from the measurement values are given. Then, some rolling resistance measurements are done of which the results will be compared with the theoretical expectations. Finally, those results are discussed and some proposals are made to improve the test setup for future use. Keywords Rolling resistance, Polyurethane wheels
C. Measurements The description of the used test setup is followed by some measurements of the rolling resistance from different wheels. The used formulas to calculate the rolling resistance force from the measurement values are profoundly discussed. The results will be compared with the theoretical expectations from the literature study. Lastly, as in most research and development projects, a number of potential improvements are proposed to minimize the measurement faults and to optimize the test equipment for future use. II. METHODS
I. INTRODUCTION A. Motivation of the dissertation Polyurethane (PUR) wheel manufacturers are constantly trying to produce better wheels to satisfy the wishes of their customers. An important property of a PUR wheel is the rolling resistance. This wheel parameter for instance partially defines how much a rollercoaster train will be slowed down during the ride or how large the drive of a forklift must be at a certain load and velocity. Therefore, Vulkoprin had the desire to do some adaptations on their in house developed test bench. This Belgian manufacturer of PUR wheels has a test bench for rollercoaster wheels since 2012. This enables the enterprise to propose the right wheels for each rollercoaster which will withstand the ride and in addition will have an acceptable lifetime. However, until now, it is not possible to quantify the rolling resistance of a wheel. By implementing some changes to the current equipment, they will be able to determine this specific wheel parameter. This aspect forms the main subject of this master dissertation. B. Modifications The modifications are split into mechanical and electrical goals. To be able to determine the rolling resistance of a wheel, the mechanical lay-out of the test bench needed to be adapted. A summary description of the changes and the setup of the test bench will be given. The implemented adaptations are based on literature. Next, we needed to change the electrical control circuit and the used software to be able to process the measurement results. This software forms the gateway between the user and the test setup.
B. Broux is a student at the Faculty of Engineering and Architecture, Ghent University (UGent), Gent, Belgium. E-mail:
[email protected]
A. Mechanical modifications The mechanical setup to perform a rolling resistance measurement is based on a method from literature [5]. The different methods to determine the rolling resistance can be classified in direct and indirect procedures. This latter group mostly uses the acceleration or deceleration of the wheel. Combined with a zero load test, the rolling resistance can then be calculated by using a theoretical formula. In contrast, the direct procedures always use load cells to measure the rolling resistance force (either directly or with a built-in lever). Figure 1 shows some different designs of direct methods.
Figure 1: direct procedures [5]
We found option G from Figure 1 to be most appropriate for our application, and implemented a similar mechanism in the test bench in this master dissertation. The wheel clamping
system is redesigned by integrating a pivot point and two load cells. Figure 2 shows the result of this design.
file can be consulted and, if needed, post-processed when the test cycle is finished to calculate the rolling resistance force. Since the software is modified, the user can also see the variation of the wheel temperature during the last fifteen minutes. Therefore, a dynamic graph is added to the interface.
Figure 2: redesigned wheel clamping system
The mechanical layout of the test bed is as follows: two pneumatic actuators, which are installed above the clamping system, can deliver a maximum load of 30 kN on the test wheel. Therefore, a proportional pressure control valve adjusts the air pressure based on the required load. The test wheel rides on a larger wheel which is powered by an asynchronous motor. By adjusting the speed of this motor, the velocity of the test wheel can be set between 12 and 120 km/h. The speed control of the motor is done by a frequency converter. Thanks to the pivot point at the top of the wheel clamping system, it can rotate around the hinge axis. On both sides of this axis, a load cell is installed. By taking account of the lever, the rolling resistance force can be calculated from the measured values. The required formulas are described in section C. This setup makes it possible to simulate different conditions for testing a large variety of wheels, with diameters up to 400 mm. Any combination of load and velocity can be set for a test. Furthermore, those parameters can be adjusted during the test cycle to simulate for example the conditions during a real rollercoaster ride. However, to determine the rolling resistance, a static (or stationary) test cycle will be run through instead of a dynamic (or time-varying) test cycle.
Figure 3: Schematic overview test bench
Figure 3 gives a schematic overview of the test bench. With: A) Load cell B) Pivot point C) Test wheel D) Lower wheel Figure 4 gives a total overview of the test bench. B. Electrical Modifications Apart from the mechanical modifications, some changes were needed at the electrical control circuit as well. The most important ones are implemented in the software. By using a graphical interface, the user can operate the test bench. The program behind this interface communicates with the different parts of the electrical circuit. This software has been updated so that the newest version of this program can read the values from the load cells and save them to a text file. This
Figure 4: Test bench
C. Formulas The rolling resistance force can be calculated by using the measured values from the load cells. A test cycle always consists of three major parts: 1) Measurement at low speed, normal load applied; 2) Measurement at constant velocity, test wheel rotating clockwise, normal load applied; 3) Measurement at constant velocity, test wheel rotating anti-clockwise, normal load applied. The first part of the test cycle is meant to bring the wheel temperature to its working point. Otherwise, the wheel would heat up during the second and third part of the test, and influence the rolling resistance. It is important that the temperature of the test wheel remains virtually constant during these tests. The measurements of the first fifteen seconds of each part must be neglected to eliminate the inertia of the test bench. This ensures that the used measuring values are derived from an interval in which the velocity and load of the wheel are constant. By averaging the remaining measuring values, a good estimate of the rolling resistance force can be calculated. In order to obtain a better averaged value, the duration of the test can be extended. The test must be done clockwise as well as anti-clockwise. This enables the user to eliminate the misalignment of the test setup. [2][4][5] 1) Balance of force moments during clockwise rotation of the test wheel. When the test wheel is rotating clockwise, a rolling resistance force (FROL) will appear in the contact area between the test wheel and the larger wheel below. This force creates a force moment (M-) around the hinge axis of the wheel clamping system. Together with the forces which occur at the load cells, a balance of force moments is reached. Those forces are shown in the free body diagram of Figure 5.
Figure 6: Balance of moments of force - clockwise rotation
Figure 6 shows the different moments which acts upon the pivot point of the construction. L’ is the (averaged) force measured by the left load cell which creates the moment M’L. R’ is the (averaged) force from the right load cell, creating a moment M’R around the pivot point. MVS is a residual moment of force due to the misalignment of the test bench. 2) Balance of force moments during anti-clockwise rotation of the test wheel. The rolling resistance force which appears when the test wheel is rotating anti-clockwise, will be pointing in the other direction compared with the force from the clockwise rotating situation. This force also creates a moment of force (M+) around the pivot point. Figure 7 gives a simplified representation of the wheel clamping system and the different forces which arise in this situation. Figure 8 shows the different moments around the pivot point which are created by the forces from Figure 7.
Figure 7: Forces and moments - anti-clockwise rotation
Figure 5: Forces and moments - clockwise rotation Figure 8: Balance of moments of force - anti-clockwise rotation
The left load cells registers the averaged force L, creating the moment ML. The right load cell registers the averaged force R which creates the moment MR. The residual moment MVS appears in this situation as well.
3) Calculation of the rolling resistance force To determine the rolling resistance moment (MROL) [Nm], created by the rolling resistance force, the moments M- and M+ must be averaged by using the following equation:
M M M R M L M VS M L' M R' M VS 2 2 (1) ' ' MR ML ML MR 2
M ROL M ROL
The results of the tests on the rubber wheel are included in Table 2. Table 2: rubber wheel test results
Load [N] 1000 2000 3000 4000 5000
FROL [N] 18.04 32.54 50.83 65.83 82.45
Coefficient [%] 1.8 1.63 1.69 1.65 1.65
In Graph 1, the coefficients of both wheels are plotted as a function of the applied load.
This formula is based on the basic principle of balance of moments of force. The equation proves that the residual moment MVS is cancelled out by doing the test in both rotational directions. To define the rolling resistance force FROL, the lengths between the load cells and the hinge axis, as well as the length between the test wheel axis and the hinge point, must be known. In order to simplify the calculations for the end user, the software program already accounts for those lengths. The lever is already included in the values which are saved to the output text-file. This means that those values can be used directly into the next formula which expresses the rolling resistance force:
FROL
R L L' R ' [N] (2) 2
Graph 1: Comparison of coefficients of rubber and PUR.
IV. DISCUSSION R and L represent the averaged measured force [N] from the right and left load cell, respectively. The superscript indicates the values from the clockwise rotation test. III. RESULTS After having completed the modifications, a number of measurements are done on the renewed test bed using two different wheels. The first wheel is covered with a polyurethane (PUR) solid tire, while the second wheel has a solid rubber tire. Both wheels have the same dimensions (outer diameter of 200 mm and width of 50 mm) to facilitate the comparison of the measurement results. The wheels are tested with a velocity of 12 km/h. The load starts at 1000 N and increases in steps of 1000 N until the maximum load capacity of the wheel is reached. The results of the tests on the PUR wheel are represented in Table 1. The second column contains the rolling resistance force, calculated with equation 2. The last column shows the ratio of the rolling resistance force to the applied load. Table 1 PUR wheel test results
Load [N] 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
FROL [N] 9.7 15.05 21.31 25.13 29.96 36.04 43.71 49.91
Coefficient [%] 0.97 0.75 0.71 0.63 0.60 0.60 0.62 0.62
A. Test results The results in Graph 1 show that the coefficient of rolling resistance of a rubber wheel is significantly larger than that of a PUR wheel. This confirms the expectations from the theory. For years, it is been well known that a PUR wheel has a smaller rolling resistance than a rubber wheel with the same dimensions. [1] To ensure that the results are within the expected range, the theory of Lütkebohle will be used to determine the theoretical rolling resistance force (FR). According to his theory, this force can be calculated by equation 3: [2]
FR 2. with: -
aM .FN .d ra .
(3)
FN = applied load [N]; ra = radius of the wheel [m]; d = loss factor of the tire material; aM = half width of the contact area between the wheel and his surface. [m]
aM can be calculated by using the dimensions of the wheel and some properties of the tire material. aM is described by equation 4: [2]
aM
FN .re . B.E '.2.(1 )
(4)
with: -
re = comparison radius [m]; B = width of the wheel [m]; E’ = storage modulus of the tire material [N/m²]; ν = Poisson ratio of the tire material.
The theory of Lütkebohle is applied on the PUR wheel. 0.035 is used as value for the loss factor d. The results of this calculation are shown in Graph 2 by the lower curve. The upper curve represents the values of the measurements.
Graph 2: Theoretical versus measured values (blue: experiments, red: theory)
It is clear that the measured values are always larger than those which are expected from the theoretical calculations. This can be explained by different reasons. 1) The theory of Lütkebohle gives an approximation of the expected rolling resistance force and not a precise value. 2) The used formula neglects the influence of the bearings. However, their friction is included in the measurements. 3) The material loss factor d depends on the temperature of the PUR tire. The value of 0.035 is valid for a wheel temperature of approximately 60°C. During the tests, this temperature varied from 43°C at a load of 1000N to 59°C at 8000N. The material loss factor increases at a lower temperature, as shown in Figure 9. This means that the theoretical rolling resistance force should be greater than the calculated values. This corresponds with what is perceived from Graph 2.
4) As in most test beds, vibrations occur during operation. Those vibrations will decrease when a higher load is applied on the test wheel. This means that the influence of the vibrations will be larger at smaller loads. This could be another reason why the test results deviate more from the expected values at small load tests. A better agreement between the measurements and the theory could be reached if the exact value for the loss factor is known. Therefore, lab tests should be executed to determine this factor as a function of temperature. A second option is to run the test wheel until it reaches a temperature for which the loss factor is known. Furthermore, the influence of the bearing friction can be determined by using the calculation methods from their manufacturers. B. Suggestions for future work Some extra adjustments could be made to the installation itself. The mechanical build-up is completed, but the electrical circuit can be improved and extended. A second data-acquisition card would make it possible to read some extra sensors. The most important sensor is probably a tachometer to feedback angular velocity of the lower wheel. Currently, there is no measuring of the actual speed of this wheel. By integrating feedback, the error on this velocity could be minimized. V. CONCLUSION We can conclude that all targets have been achieved. The test bed is modified such that rolling resistance of a wheel can be determined. The results of the measurements are within the expected range when the right value for the material loss factor is used. Such is the case at the measurements on the PUR wheel with the two highest loads. At those tests, the wheel temperature approaches 60°C. (53.6°C at 7000N; 58.6°C at 8000N) This is the temperature for which the loss factor is used in the calculations. The difference between the measured and the calculated value is 13.62% at 7000N and 6.19% at 8000N. This proves that there is a good agreement between theoretical values and measurement results. ACKNOWLEDGEMENTS The author would like to acknowledge the help and suggestions of his supervisors. In addition, he would like to express his gratitude to the staff of Vulkoprin for their help. REFERENCES [1]
[2]
[3]
[4] [5]
Figure 9: Loss factor in function of temperature [3]
Kauzlarich, J.J. & Thacker, J.G. (1985). Wheelchair tire rolling resistance and fatigue. Journal of Rehabilitation Research and Development Vol. 22 No. 3, pp. 25-41. Lütkebohle, H. (1984). Roll- und wälzreibung zylindrischer räder aus thermoplastischen kunststoffen [PhD scription]. Technischen Universität Berlin, Fachbereich Konstruktion und Fertigung. Wehking, K. H., Bruns, R. (2011). InnoRad – Erhöhung der Lebensdauer von Rädern und Rollen aus Polyurethan. Institut für Fördertechnik und Logistik, University of Stuttgart. Hager, M. & Will, F. (1997). Prufstand fur Kunststoffrader. MM Maschinenmarkt Vol. 103 No. 15, pp. 78-80. Hager, M. & Will, F. (1997). Messung des Fahrwiderstandes von Kunststoffrader. MM Maschinenmarkt Vol. 103 No. 8, pp. 20-23.
Inhoudstafel Voorwoord ................................................................................................................................ I Abstract .................................................................................................................................... II Extended abstract .................................................................................................................. III Inhoudstafel ........................................................................................................................ VIII Figurenlijst ............................................................................................................................. XII 1
2
Inleiding ............................................................................................................................ 1 1.1
Bedrijf - historiek ..................................................................................................... 1
1.2
Producten.................................................................................................................. 1
1.3
Productieproces van een rollercoasterwiel .......................................................... 3
Literatuurstudie ............................................................................................................... 5 2.1
Opbouwmogelijkheden van een wielentestbank ............................................... 5
2.2
Meetmethodes voor de rolweerstand ................................................................... 8
2.2.1
Indirecte meting ................................................................................................. 8
2.2.2
Directe meting .................................................................................................. 12
2.2.3
Minimaliseren van de meetfouten ................................................................ 14
2.3
3
Overzicht van rolweerstandsformules ............................................................... 16
2.3.1
Inleiding ............................................................................................................ 16
2.3.2
Rolweerstandscoëfficiënt ............................................................................... 17
2.3.3
Rolweerstandskracht ...................................................................................... 18
2.3.4
Interpretatie van de invloedfactoren ............................................................ 28
Testbank voor rollercoasterwielen .............................................................................. 32 3.1
Inleiding .................................................................................................................. 32
3.2
Opbouw en werking ............................................................................................. 33
3.2.1
Snelheidssimulatie........................................................................................... 34
3.2.2
Loopwiel ........................................................................................................... 35
3.2.3
Krachtsimulatie ................................................................................................ 36 VIII
4
5
3.2.4
Opspansysteem testwiel ................................................................................. 37
3.2.5
Sturing ............................................................................................................... 38
3.3
Aanvankelijke mogelijkheden ............................................................................. 41
3.4
Foutopsporing ........................................................................................................ 41
Doelstellingen ................................................................................................................ 42 4.1
Mechanische aanpassingen .................................................................................. 43
4.2
Aanpassingen aan sturing .................................................................................... 44
Mechanisch ontwerp ..................................................................................................... 45 5.1
Conceptvoorstelling .............................................................................................. 45
5.1.1
Concept 1 .......................................................................................................... 46
5.1.2
Concept 2 .......................................................................................................... 46
5.1.3
Concept 3 .......................................................................................................... 47
5.1.4
Concept 4 .......................................................................................................... 48
5.1.5
Concept 5 .......................................................................................................... 48
5.1.6
Concept 6 .......................................................................................................... 49
5.1.7
Puntenmatrix.................................................................................................... 50
5.1.8
Besluit ................................................................................................................ 50
5.2
Uitwerking concept ............................................................................................... 51
5.2.1
Eerste ontwerp ................................................................................................. 51
5.2.2
Tweede ontwerp .............................................................................................. 55
5.3
Sterkte-analyse ....................................................................................................... 60
5.3.1
Vrijelichaamsschets ......................................................................................... 62
5.3.2
Materiaaleigenschappen en toelaatbare spanning ..................................... 64
5.3.3
Krachten en randvoorwaarden ..................................................................... 66
5.3.4
Eerste analyse ................................................................................................... 67
5.3.5
Tweede analyse ................................................................................................ 70
5.3.6
Besluit ................................................................................................................ 72
5.4
Eindresultaat .......................................................................................................... 73
5.4.1
Algemeen .......................................................................................................... 73 IX
5.4.2 6
Sturing ............................................................................................................................. 77 6.1
Hardware ................................................................................................................ 77
6.1.1
Stuurkaart ......................................................................................................... 78
6.1.2
Opampkaart ..................................................................................................... 83
6.1.3
Relaiskaart ........................................................................................................ 84
6.1.4
Wielbreukdetectie ............................................................................................ 84
6.1.5
Veiligheidsvoorzieningen .............................................................................. 86
6.1.6
Weegcellen........................................................................................................ 88
6.1.7
Nieuwe componenten ..................................................................................... 90
6.1.8
Niet-doorgevoerde vernieuwingen .............................................................. 90
6.1.9
Elektrische schema’s ....................................................................................... 91
6.2
7
Wieluitlijning ................................................................................................... 75
Software .................................................................................................................. 92
6.2.1
Vernieuwde grafische interface ..................................................................... 93
6.2.2
Aangepaste stuurcode .................................................................................... 97
6.2.3
Invoerbestand ................................................................................................ 101
6.2.4
Uitvoerbestand .............................................................................................. 102
Verwerking meetresultaten ....................................................................................... 104 7.1
Theoretische beschouwing ................................................................................. 104
7.1.1
Momentenevenwicht bij stilstand ............................................................... 104
7.1.2
Momentenevenwicht bij positieve draaizin .............................................. 106
7.1.3
Momentenevenwicht bij negatieve draaizin ............................................. 107
7.1.4
Uitmiddeling rolweerstandsmoment ......................................................... 108
7.1.5
Omzetting naar rolweerstandskracht ......................................................... 108
7.2
Meetwaarden software ....................................................................................... 109
7.2.1
Krachten omzetten naar momenten ........................................................... 109
7.2.2
Rolweerstandskracht .................................................................................... 109
7.2.3
Nullen van de weegcellen bij starten test .................................................. 110
7.3
Opbouw testcyclus .............................................................................................. 111 X
8
Metingen ....................................................................................................................... 113
9
Besluit ............................................................................................................................ 118
10
Toekomstmogelijkheden ............................................................................................ 119
Referentielijst ........................................................................................................................ 120 Bijlagen ....................................................................................................................................... i
Bijlage A: Elektrische schema's ............................................................................................... i
XI
Figurenlijst Figuur 1: Bedrijfslogo Vulkoprin .......................................................................................... 1 Figuur 2: Aandrijfwiel heftruck (Vulkoprin)....................................................................... 2 Figuur 3: Rollercoasterwielen (Vulkoprin) .......................................................................... 2 Figuur 4: Metalen wielkern (Vulkoprin) .............................................................................. 3 Figuur 5: Opruwen wielkern ................................................................................................. 3 Figuur 6: Gelijmde wielkern .................................................................................................. 3 Figuur 7: Gieten in mallen ...................................................................................................... 4 Figuur 8: Varianten loopwegnabootsing [2] ........................................................................ 6 Figuur 9: Indirecte meetmethodes [2] .................................................................................. 8 Figuur 10: Indirecte meetmethode A [7] .............................................................................. 9 Figuur 11: Indirecte meting methode 4 [7] ........................................................................ 11 Figuur 12: Directe meetmethodes [2].................................................................................. 12 Figuur 13: Nulpuntverschuiving rolweerstandsmeting [6] ............................................ 15 Figuur 14: Indrukking wiel [3] ............................................................................................ 19 Figuur 15: Wielgeometrie [3] ............................................................................................... 20 Figuur 16: Wielvervorming Kunz [4] ................................................................................. 23 Figuur 17: Belasting- en spanningsverloop in contactoppervlak [6] ............................. 25 Figuur 18: Wielgeometrie [6] ............................................................................................... 26 Figuur 19: Wielgeometrie [6] ............................................................................................... 27 Figuur 20: Temperatuurafhankelijkheid verliesfactor [6] ............................................... 30 Figuur 21: Invloed belastingfrequentie op verliesfactor .................................................. 31 Figuur 22: Testbank voor rollercoasterwielen (VTI-Tielt) ............................................... 33 Figuur 23: Loopwiel met afgeronde loopweg ................................................................... 35 Figuur 24: Persluchtcilinders krachtsimulatie................................................................... 36 Figuur 25: wielvork met verstelbare benen ....................................................................... 37 Figuur 26: Interface computer ............................................................................................. 39 Figuur 27: Toespoor en uitspoor ......................................................................................... 43 Figuur 28: Concept 1 ............................................................................................................. 46 Figuur 29: Concept 2 ............................................................................................................. 46 Figuur 30: Concept 3 ............................................................................................................. 47 Figuur 31: Concept 4 ............................................................................................................. 48 Figuur 32: Concept 5 ............................................................................................................. 48 Figuur 33: Concept 6 ............................................................................................................. 49 Figuur 34: oorspronkelijk wielvork .................................................................................... 51 XII
Figuur 35: Geleidingsgleuf ................................................................................................... 52 Figuur 36: hoofdplaat eerste ontwerp ................................................................................ 52 Figuur 37: bovenplaat eerste ontwerp (onderzijde) ......................................................... 52 Figuur 38: Bovenaanzicht bovenplaat aan brug ............................................................... 53 Figuur 39: Zijaanzicht eerste ontwerp ................................................................................ 53 Figuur 40: scharnierblok op hoofdplaat - tweede ontwerp............................................. 55 Figuur 41: schaalverdeling op hoofdplaat ......................................................................... 55 Figuur 42: Centreerpin en blokkeringsplaatje ................................................................... 56 Figuur 43: blokkeersleufplaat .............................................................................................. 58 Figuur 44: glijlager................................................................................................................. 58 Figuur 45: tweede ontwerp .................................................................................................. 59 Figuur 46: tweede ontwerp rechterzijaanzicht .................................................................. 59 Figuur 47: Scharnierblok op onderplaat ............................................................................ 60 Figuur 48: Vrijelichaamsschets wiel ................................................................................... 62 Figuur 49: Vrijelichaamsschets sterkte analyse ................................................................. 63 Figuur 50: FEM-analyse krachten en constraints .............................................................. 66 Figuur 51: eerste analyse non-averaged Von Mises-spanning ....................................... 67 Figuur 52: eerste analyse - averaged Von Mises-spanning ............................................. 68 Figuur 53: eerste analyse - averaged Von Mises-spanning detailzicht.......................... 68 Figuur 54: eerste analyse - verplaatsingen ......................................................................... 69 Figuur 55: Tweede analyse – spanningspiek ..................................................................... 70 Figuur 56: Tweede analyse - spanningspiek spider ......................................................... 71 Figuur 57: Tweede analyse - maximale spanning ............................................................ 71 Figuur 58: Tweede analyse - verplaatsing wielas ............................................................. 72 Figuur 59: Tweede analyse - verplaatsing wielvork ........................................................ 72 Figuur 60: Eindresultaat opstelling vooraanzicht ............................................................ 73 Figuur 61: Eindresultaat opstelling zijaanzicht ................................................................. 73 Figuur 62: Eindresultaat opspanning testwiel .................................................................. 74 Figuur 63: Eindresultaat drukbout en weegcel ................................................................. 74 Figuur 64: Uitlijning opstelling m.b.v. waterpaslaser ...................................................... 75 Figuur 65: Fijnregeling wielmontage .................................................................................. 76 Figuur 66: Velleman VM167 stuurkaart [10] ..................................................................... 79 Figuur 67: Voorstelling in- en output stuurkaart [10] ...................................................... 79 Figuur 68: Wielbreukdetectie ............................................................................................... 85 Figuur 69: Wielbreukdetectie met beugel .......................................................................... 85 Figuur 70: weegcel Futek LLB400 (Futek).......................................................................... 89 Figuur 71: Vernieuwde interface computer....................................................................... 93 XIII
Figuur 72: programmeercode wielbreukdetectie ............................................................. 97 Figuur 73: programmeercode noodstopvrijgave .............................................................. 98 Figuur 74: programmeercode dynamische grafiek 1 ....................................................... 99 Figuur 75: programmeercode dynamische grafiek 2 ..................................................... 100 Figuur 76: Invoerbestand software ................................................................................... 101 Figuur 77: Uittreksel uit uitvoerbestand .......................................................................... 103 Figuur 78: Momentenevenwicht bij stilstand .................................................................. 105 Figuur 79: Momentenevenwicht bij positieve draaizin ................................................. 106 Figuur 80: Momentenevenwicht bij negatieve draaizin ................................................ 107 Figuur 81: Meetresultaten .................................................................................................. 114 Figuur 82: Theoretische t.o.v. gemeten waarden rolweerstandskracht ...................... 115 Figuur 83: Verliesfactor in functie van de temperatuur PUR [11] ............................... 116
XIV
1
Inleiding
1.1
Bedrijf - historiek
Figuur 1: Bedrijfslogo Vulkoprin
Vulkoprin is een bedrijf dat gevestigd is in het West-Vlaamse Tielt. Sinds hun ontstaan in 1964 maken ze wielen voor allerhande toepassingen. Gaande van de wielen onder een ziekenhuisbed, de wielen van de karretjes van de plaatselijke supermarkt tot heftruckwielen. Naast deze wielen, rollen en banden produceert men ook technische stukken voor demping, bescherming en positionering. De voorbije 50 jaar is het bedrijf uitgegroeid tot een vaste waarde in zijn sector. Het behoort wereldwijd tot de top vijf in de productie van hoogtechnologische kunststofwielen voor machines, rollercoasters en heftrucks. Hun slogan luidt niet voor niets “Hier loopt alles op wielen”.
1.2
Producten
Hun producten kan men opdelen in twee grote groepen. Enerzijds heeft men de Vulkollan® zwenk-, loop- en aandrijfwielen. Voor deze groep maken ze gebruik van de kunststof Vulkollan®. Voor deze elastomeer verkreeg men een licentie van Bayer AG. Dit materiaal heeft de bijzondere eigenschap dat het een hoog draagvermogen combineert met een hoge kerfvastheid en resistentie tegen vetten en oliën. Anderzijds heeft men de productgroep Romeca® waar de zwenkwielen in polyamide en rubber onder vallen, alsook bolwieltjes voor de glasindustrie.
1
Een nichemarkt waarvoor ze nummer één zijn in Europa, is het maken van rollercoasterwielen. Deze producten dienen aan hoge kwaliteitseisen te voldoen. Vele achtbanen in binnen- en buitenland rijden op wielen van Tieltse makelij. In de Europese pretparken rijdt meer dan 70 procent van de achtbanen op hun wielen. De in 2010 nog snelste en grootste achtbaan ter wereld, de Kingda Ka in Californië, zou niet kunnen rijden zonder de technologie van Vulkoprin. Deze rollercoaster haalt snelheden tot 206 km per uur in 3,5 seconden. Het hoogste punt ligt op 139 meter.
Figuur 2: Aandrijfwiel heftruck (Vulkoprin)
Figuur 3: Rollercoasterwielen (Vulkoprin)
2
1.3
Productieproces van een rollercoasterwiel
De productie van een rollercoasterwiel bij Vulkoprin gebeurt volgens een welbepaald proces. Dit wordt hierna kort omschreven als achtergrondinformatie bij deze thesis. De eerste stap in het proces is de vervaardiging van de metalen wielkernen. In het geval
van
een
achtbaanwiel
is
het
gebruikte
materiaal
meestal
een
aluminiumlegering. Deze legeringen combineren een goede warmtegeleiding met een kleine soortelijke massa. In de draaierij-afdeling van het bedrijf worden de benodigde verspanende bewerkingen op de wielkernen uitgevoerd. Hierbij stellen zich hoge kwaliteitseisen op vlak van maatnauwkeurigheid. Door de hoge snelheden die deze wielen kunnen behalen, kan een kleine afwijking een grote onbalans veroorzaken. Dit zou een nadelige invloed hebben op het comfort van de personen in de attractie alsook op de levensduur van het wiel.
Figuur 4: Metalen wielkern (Vulkoprin)
Figuur 5: Opruwen wielkern
Figuur 6: Gelijmde wielkern
Nadat de kernen zijn gedraaid, worden deze ontvet. Door deze op een hoge temperatuur in een ruimte met solventdamp te brengen, worden alle vetten uit de poriën verwijderd. Achterblijvende ingesloten vetdeeltjes kunnen immers bij het bakproces uitzetten en zo een goede hechting met de kunststofband verhinderen. Een volgende stap in het proces is het opruwen van de buitenomtrek. In een geautomatiseerde installatie worden abrasieve staalkorrels aan hoge snelheid op de wielkernen gespoten (Figuur 5). Hierdoor vergroot de ruwheid van de buitenomtrek 3
en bijgevolg ook het oppervlak waarmee de lijm en de kunststofband met de wielkern zullen kunnen hechten. De laatste stap vooraleer wordt overgegaan tot het gietproces is het aanbrengen van een lijmlaag aan de buitenomtrek (Figuur 6). Deze speciale rode lijmcoating zal een optimale hechting creëren tussen de metalen kern en de kunststof Vulkollan®.
Figuur 7: Gieten in mallen
De wielkernen gaan vervolgens naar de gieterij. Nadat ze in een vooroven, samen met de gietmallen, op verhoogde temperatuur zijn gebracht, wordt de kunststof in de mallen gegoten (Figuur 7). Afhankelijk van het type wiel kan de samenstelling van de kunststof licht variëren om bijvoorbeeld een verschillende hardheid te bekomen. Na een korte baktijd worden de wielen uit de mallen ontvormd. Hierna wordt het polymerisatieproces verder gezet door de wielen in een klimatisatieruimte te brengen. Het verblijf in deze vochtige en warme ruimte wordt afgewisseld met korte periodes in ovens. Deze cyclus van rustperiodes en warmtepieken zorgt voor een versneld polymerisatieproces van het elastomeer. De gieterij-afdeling van het bedrijf is in hoge mate geautomatiseerd met onder andere automatische heftrucks (AGV’s). Wanneer het polymerisatieproces is voltooid, volgt de nabewerking van de wielen. In de kunststof-draaierij worden de gietranden verwijderd, de bekleding op maat afgedraaid en het wiel verder uitgebalanceerd. In de montage-afdeling worden lagers en tussenbussen gemonteerd. Daarna is het wiel klaar en kan het geleverd worden aan de klant.
4
2
Literatuurstudie
2.1
Opbouwmogelijkheden van een wielentestbank
Om de rolweerstandskracht van een kunststofwiel experimenteel te bepalen, zijn er verschillende mogelijkheden voor de constructie van de testopstelling. Telkens kunnen volgende hoofdonderdelen in de installatie worden onderscheden [2]: -
Nabouw van het loopvlak,
-
Meting van de rijweerstand,
-
Overbrenging van de wielbelasting,
-
Meting van de wielbelasting (optioneel).
Het rolproces zal zo nauwkeurig mogelijk elke gebruikssituatie nabootsen. Hierbij wordt de loopbaan van het wiel zo nauwkeurig mogelijk benaderd, en dit op vlak van materiaal van de ondergrond en kromming van de loopbaan. Daarnaast wordt getracht
om
de
bedrijfsomstandigheden
zoals
de
belasting,
snelheid
en
bedrijfstemperatuur na te bootsen. Van deze laatste mag niet worden vergeten dat de temperatuur van de bekleding verhoogt totdat een stationaire toestand is bereikt. Om deze bedrijfstemperatuur te bereiken en te kunnen aanhouden, moet de wieltest voldoende lang duren. [2]
5
Figuur 8: Varianten loopwegnabootsing [2]
Figuur 8 toont enkele varianten om de loopweg na te bootsen. In A wordt het wiel over een ondergrond voortbewogen door een kracht die ingrijpt op de wielas. Deze ondergrond is een vaststaand vlak. Deze zeer eenvoudige uitvoering heeft echter één grote beperking. Door de afmetingen van het loopvlak is de afstand die het wiel kan afleggen
zeer
beperkt.
Een
korte
testtijd
betekent
dat
de
stationaire
bedrijfstemperatuur niet kan bereikt worden. Hierdoor is deze uitvoering niet aanbevolen. [2] In uitvoering B wordt gebruik gemaakt van een loopband. Omheen twee trommels, waarvan één wordt aangedreven, loopt een band. Op de plaats waar het testwiel op de band rijdt, wordt deze ondersteund door een steunplaat.[2][8] De wielas zal hier enkel een rotatie uitvoeren en niet langer een translatiebeweging. De loopband kan zowel in staal als in kunststof worden uitgevoerd. De test wordt niet langer beperkt in de tijd zoals in uitvoering A. Echter brengt deze variant relatief grote constructieve kosten met zich mee. [2]
6
Een derde variant die in Figuur 8 wordt weergegeven, is uitvoering C. Hierbij rijdt het testwiel op een aandrijftrommel. Deze variant wordt meestal gebruikt in testopstellingen voor autobanden. De testopstellingen voor met kunststof beklede wielen rusten ook vaak op dit principe. Zo ook bij de testbank die het onderwerp vormt van deze masterproef. Deze uitvoering is constructief eenvoudiger én goedkoper dan variant B. Echter krijgt de loopbaan hier een zekere kromming. De ondergrond waarop het testwiel rijdt, is niet langer vlak. Deze afwijking ten opzichte van de werkelijke toestand moet in het achterhoofd worden gehouden bij het uitvoeren van de testen. Door de diameter van de aandrijftrommel zo groot mogelijk te nemen in verhouding tot die van het testwiel, kan deze afwijking worden geminimaliseerd. [2] In de testbank van Vulkoprin is een loopwiel geplaatst met een diameter van 636 mm.
7
2.2
Meetmethodes voor de rolweerstand
De rolweerstandskracht van een wiel is zeer klein ten opzichte van de normaalkracht (belasting) die op het wiel inwerkt. Hierdoor is een directe meting van deze rolweerstandskracht allesbehalve eenvoudig. [2] De meetmethodes voor de rolweerstand van een wiel worden in twee grote groepen opgesplitst. Enerzijds zijn er de methodes van de directe meting, anderzijds zijn er de methodes met de indirecte meting. De directe meetopstellingen maken steeds gebruik van krachtcellen of rekstrookjes om, al dan niet via een hefboomsarm, de rolweerstandskracht direct te meten. Bij de opstellingen die ingedeeld zijn bij de indirecte meetmethodes worden de meetwaarden gebruikt om via formules tot de rolweerstandskracht te komen. In deze methodes wordt vaak de versnelling of vertraging van het wiel opgemeten. De hierbij gebruikte formules vereisen meestal dat er ook een nullastproef wordt uitgevoerd.
2.2.1
Indirecte meting
Figuur 9: Indirecte meetmethodes [2]
Figuur 9 toont drie methodes voor een indirecte meting van de rolweerstand. In methode A wordt het testwiel eerst op snelheid gebracht waarna het wiel uitloopt tot stilstand. De rolweerstand is deels verantwoordelijk voor het vertragen van het wiel. Gedurende de test wordt de hoeksnelheid van het wiel voortdurend opgemeten. Het 8
gedeelte in de formule met index “0” representeert het aandeel van de traagheidsmomenten van het testwiel en de looptrommel op de vertraging van het wiel, evenals een deel van de weerstand van het trommellager. [2] Dit aandeel wordt opgemeten in een nullastproef. [2][7] Hierbij werkt geen normaalkracht in op het testwiel. Tijdens deze nullastproef zal enkel het lastonafhankelijke aandeel van het lager optreden. Het lastafhankelijke deel van het lager die het wiel vertraagt, kan in deze uitvoering niet worden bepaald. Er moet dus rekening worden gehouden met een zeker meetfout die zal ontstaan in deze methode. [2] Figuur 10 en de daaropvolgende formules tonen aan hoe de rolweerstandskracht volgens deze methode kan worden berekend.
Figuur 10: Indirecte meetmethode A [7]
De rolweerstandskracht FRR wordt bepaald op onderstaande manier: [7] 𝐹𝑅𝑅 = 𝐹𝑔𝑒𝑠 − 𝐹𝑅𝑒𝑖𝑓𝑒𝑛,𝑓𝑟𝑒𝑖 − 𝐹𝑇𝑟𝑜𝑚𝑚𝑒𝑙,𝑓𝑟𝑒𝑖
in [N]
Waarbij: [7] 𝐼𝑅𝑒𝑖𝑓𝑒𝑛 𝐼𝑇𝑟𝑜𝑚𝑚𝑒𝑙 + 𝜔̇ 𝑅𝑒𝑖𝑓𝑒𝑛 . 𝑅𝑇𝑟𝑜𝑚𝑚𝑒𝑙 𝑅𝑅𝑒𝑖𝑓𝑒𝑛 𝐼𝑅𝑒𝑖𝑓𝑒𝑛 = 𝜔̇ 𝑅𝑒𝑖𝑓𝑒𝑛,𝑓𝑟𝑒𝑖 . 𝑅𝑅𝑒𝑖𝑓𝑒𝑛
𝐹𝑔𝑒𝑠 = 𝜔̇ 𝑇𝑟𝑜𝑚𝑚𝑒𝑙 . 𝐹𝑅𝑒𝑖𝑓𝑒𝑛,𝑓𝑟𝑒𝑖
𝐹𝑇𝑟𝑜𝑚𝑚𝑒𝑙,𝑓𝑟𝑒𝑖 = 𝜔̇ 𝑇𝑟𝑜𝑚𝑚𝑒𝑙,𝑓𝑟𝑒𝑖 .
𝐼𝑇𝑟𝑜𝑚𝑚𝑒𝑙 𝑅𝑇𝑟𝑜𝑚𝑚𝑒𝑙
9
Hierin zijn: ITrommel
= massatraagheidsmoment trommel [kgm²]
IReifen
= massatraagheidsmoment testwiel [kgm²]
ωTrommel
= hoeksnelheid trommel [rad/s]
ωReifen
= hoeksnelheid testwiel [rad/s]
RTrommel
= straal trommel [m]
RReifen
= straal testwiel [m]
Het onderschrift “frei” duidt op een meetwaarde afkomstig uit de nullastproef. [7] In methode B rolt het testwiel op een hellend vlak naar beneden. In deze methode treedt er geen lagerweerstand op. Enkel de rolweerstand wordt gemeten. Gedurende de test wordt de omtreksnelheid van het testwiel opgemeten. [2] De derde variant voor een indirecte meting van de rolweerstandskracht staat in Figuur 9 weergegeven als methode C. In deze methode wordt het aandrijfmoment van de looptrommel gemeten. Dit kan door een koppelmeter te plaatsen op de aandrijfas van deze trommel. Ook hier zal een nullastproef noodzakelijk zijn om het lastonafhankelijke aandeel van de trommellagers in rekening te brengen. Net als in methode A zal het lastafhankelijke deel niet kunnen worden opgemeten. Er treedt dus opnieuw een zekere meetfout op. Met de kennis van het aandrijfkoppel in belaste en onbelaste toestand en de grootte van de trommeldiameter, kan de rolweerstandskracht worden bepaald. [2]
10
Tot slot is er nog een vierde methode om de rolweerstandskracht indirect te bepalen. Hiervoor wordt het vermogen P dat de elektromotor levert voor het aandrijven van de trommel opgemeten in Watt. Daarnaast moet de omloopsnelheid V van de trommel gekend zijn in m/s. [7]
Figuur 11: Indirecte meting methode 4 [7]
Wanneer de omtreksnelheid V van de trommel constant is en het opgenomen motorvermogen P gekend is, kan de rolweerstandskracht FRR [N] bepaald worden door [7]: 𝑃 𝐹𝑅𝑅 = 𝑉
11
2.2.2
Directe meting
Figuur 12: Directe meetmethodes [2]
Figuur 12 toont vier methodes voor een directe meting van de rolweerstand. In de eerste methode, aangeduid met de letter D, wordt de as van het testwiel met een buigmoment belast die afkomstig is van de rolweerstand. De buigspanning die in de wielas ontstaat, wordt door middel van rekstrookjes opgemeten. Deze methode vereist een kalibratietest voor de rekstrookjes. Naast de rolweerstandskracht zorgt de wielbelasting (Q) eveneens voor een buigspanning in de wielas. Deze wielbelasting bedraagt een veelvoud van de rolweerstandskracht. Bijgevolg is zijn aandeel op de buigspanning in de wielas vele malen groter dan die van de rolweerstandskracht. Dit zorgt ervoor dat deze methode complex is. Het is de grootte van de wielbelasting die de dimensionering van de wielas bepaalt. Bij deze methode zal de as daarom worden verzwakt. In de richting van de rolweerstandskracht zal de as een lagere stijfheid en in de richting van de wielbelasting een hogere stijfheid hebben. [2]
12
In methode E is een krachtopnemer gemonteerd tussen het wielvork en het deel dat de wielbelasting op het vork overbrengt. Deze opnemer kan de kracht meten in meerdere richtingen. Een nauwkeurige meting wordt ook hier bemoeilijkt door de grote verhouding tussen de rolweerstandskracht en de wielbelasting. [2] Methode F toont een opstelling waarin het wielvork eveneens lineair gelagerd is in de richting van de rolweerstandskracht en niet langer alleen in de richting van de wielbelasting. Een nauwkeurige meting vereist dat deze lagering wrijvingsloos wordt uitgevoerd. De minste wrijving zal het meetresultaat direct beïnvloeden. De rolweerstandskracht wordt rechtstreeks doorgegeven aan een krachtopnemer. Deze uitvoering heeft als voordeel dat de wielbelasting geen invloed heeft op de metingen. Het nadeel is echter het kostenplaatje van deze constructie. [2] De laatste methode die in Figuur 12 staat weergegeven, maakt gebruik van een hefboomsarm. Het wielvork is bovenaan voorzien van een scharnierpunt waarrond het kan zwenken. Indien de verhouding van L1 en L2 gekend is, kan de rolweerstandskracht
eenvoudig
worden
bepaald
uit
de
waarde
die
de
krachtopnemer opmeet. Deze waarde is dus proportioneel ten opzichte van de rolweerstandskracht. [1][2] Deze methode heeft net als de voorgaande het voordeel dat de wielbelasting geen invloed heeft op de metingen. [2] De weegcellen registreren namelijk enkel de rolweerstandskracht terwijl de belastingkracht niet op hen
inwerkt.
De
wielbelasting
bepaalt
echter
wel
de
grootte
van
de
rolweerstandskracht, dit zal verderop blijken in 2.3. Deze vierde methode is in de originele testbank het makkelijkst te integreren. Er zal dus getracht worden een scharnierpunt te voorzien boven het wielopspansysteem. Hiervoor zijn verschillende concepten uitgedacht. Een verdere bespreking hiervan is terug te vinden in paragraaf 5.1.
13
2.2.3
Minimaliseren van de meetfouten
Om de meetfouten te minimaliseren, moeten verschillende maatregelen worden genomen. Allereerst treden er bij stilstand krachten op tussen het testwiel en de looptrommel ten gevolge van de contactdruk. Hierdoor verschuiven de nulniveaus van de meetsensoren voor de rolweerstandskracht. Om dit deels te compenseren, is het aangewezen om bij de directe meetmethodes de wieltest in beide looprichtingen uit te voeren. [1][2][6] De helft van het verschil uit beide metingen bepaalt dan de gemeten rolweerstandskracht. [2] Deze nulpuntverschuiving wordt geïllustreerd in Figuur 13. [6] Daarnaast moet de constructie perfect zijn uitgelijnd. Anders zal de wezenlijk grotere wielbelastingkracht (Q) de meting beïnvloeden door de superpositie van een extra kracht. In wezen zou deze afwijking eveneens geen invloed hebben op het meetresultaat indien de test in beide looprichtingen gebeurt. Theoretisch gezien zal namelijk enkel het teken ten gevolge van de rolweerstandskracht wisselen bij een veranderende looprichting. De meetcomponent afkomstig van de wielbelasting is looprichtingonafhankelijk. Een uitmiddeling van de waardes afkomstig van de testen uit beide looprichtingen zal deze component wegfilteren. Het moet mogelijk zijn om het wielvork bij te stellen om de wielhoeken perfect te kunnen afstellen. Wanneer de meetwaardes bij het aanbrengen van een wielbelasting niet meer wijzigen, is de constructie correct afgesteld. Een laatste oorzaak van meetfouten zijn de speling en doorbuiging in het opspan- en meetsysteem. Ook hier zal een hoekfout door afstelling en een test in beide looprichtingen zoveel mogelijk worden geëlimineerd. Het is aangewezen om de constructie zo stijf mogelijk te ontwerpen met een minimale tolerantie op de verschillende onderdelen. En dit om deze laatste oorzaak van meetfouten te minimaliseren. [2]
14
Figuur 13: Nulpuntverschuiving rolweerstandsmeting [6]
15
2.3
Overzicht van rolweerstandsformules
2.3.1
Inleiding
Tegenwoordig worden de met kunststof beklede wielen steeds meer ingezet in de machinebouw en aandrijftoepassingen. In tegenstelling tot stalen wielen en looprollen hebben deze kunststofwielen een grotere rijweerstand. Ze bieden echter het voordeel dat ze beter schokken opvangen en minder geluid produceren in vergelijking met hun stalen tegenhangers. [1] De rijweerstand van een wiel kan worden opgesplitst in twee delen. Enerzijds is er de wrijvingsweerstand van het lager dat tussen het wiel en zijn as is gemonteerd. Anderzijds is er de rolweerstand van het wiel zelf. [1] Deze is te wijten aan de viskoelastische vervorming van de wielbekleding. [1][3] Op de berekening van de weerstand van het lager wordt hier niet dieper ingegaan. Hiervoor bestaan reeds nauwkeurige rekenmethodes die terug te vinden zijn bij de verschillende lagerfabrikanten. De rolweerstand van een wiel is hoofdzakelijk afhankelijk van drie factoren [1][8]: -
Wielbelasting,
-
Wielgeometrie (dikte van de bekleding, diameter en breedte van het wiel),
-
Materiaaleigenschappen van de kunststofbekleding.
In de literatuur wordt steeds uitgegaan van een verharde, vlakke en gladde ondergrond zoals staal of beton. Ten opzichte van de zachte kunststofbekleding is hun vervorming vele malen kleiner. De invloed van de ruwheid van de ondergrond wordt dan ook verwaarloosd. [3] De invloed van de snelheid zit vervat in de materiaaleigenschappen. Paragraaf 2.3.4.2.2 verduidelijkt dit.
16
Doorheen de jaren hebben verschillende wetenschappers een methode gezocht om de rolweerstand van een wiel te berekenen. Via elk van deze methodes kan formulematig een benaderende waarde voor de rolweerstand(kracht) worden bepaald. Het is onmogelijk om alle invloeden correct in een formule op te nemen. Hierdoor zal de ene theorie een nauwkeurigere waarde geven dan de andere. Een bespreking van enkele van deze rekenmethodes is op de volgende pagina’s terug te vinden. Hierbij wordt telkenmale de formule gegeven voor het berekenen van de rolweerstand alsook de formules die nodig zijn voor het bepalen van de verschillende factoren. Voor een diepgaandere uitleg over het tot stand komen van deze formules wordt verwezen naar de geraadpleegde literatuur. Daarin zijn de volledige afleidingen opgenomen en de praktische proeven en testresultaten waarop de formules vaak zijn gebaseerd.
2.3.2
Rolweerstandscoëfficiënt
Een eerste wetenschapper die een formule opstelde voor de rolweerstandscoëfficiënt was Coulomb. In 1785 formuleerde hij volgend verband: [3] 𝑓=
𝐹 𝑘 = 𝑃 𝑅
Hierin is: -
f = rolweerstandscoëfficiënt
-
F = rolweerstandskracht [N]
-
P = wielbelasting [N]
-
R = wielradius [m]
-
k = materiaalconstante [m]
Hieruit volgt dat de rolweerstand daalt bij een grotere wieldiameter. Zoals uit de berekeningsmethodes echter zal blijken, mag deze coëfficiënt die het verband weergeeft tussen de wielbelasting en de rolweerstandskracht niet als constant worden beschouwd. De rolweerstandskracht is namelijk niet recht evenredig met de inwerkende wielbelasting. Er bestaat dus niet zoiets als één vaste rolweerstandscoëfficiënt voor een welbepaald type kunststof of wiel. 17
2.3.3
Rolweerstandskracht
Kragelsky et al. en Johnson
hebben in hun onderzoek aangetoond dat de
rolweerstand hoofdzakelijk wordt veroorzaakt door de volgende zaken: [3] -
Ruwheid van het oppervlak,
-
Microslip in het contactoppervlak die leidt tot wrijvingskrachten,
-
Hysteresisverliezen door vervorming van de bekleding.
Deze drie bronnen van energiedissipatie dragen elk afzonderlijk bij tot de rolweerstand. De eerste twee, zijnde de ruwheid en de microslip, zijn verwaarloosbaar ten opzichte van de hysteresisverliezen. Deze laatste vormen de hoofdoorzaak voor de rolweerstand. Deze verliezen zijn afkomstig van de inelastische vervorming van de kunststofbekleding. [3] In elk van de volgende berekeningsmethoden zal dan ook enkel met deze laatste bron van energieverlies rekening worden gehouden. Er wordt steeds getracht om de invloed van de verschillende parameters op de rolweerstand wiskundig te beschrijven door middel van een eindformule voor de rolweerstandskracht.
18
2.3.3.1
Eerste berekeningsmethode
De eerste berekeningsmethode is gebaseerd op het onderzoekswerk van meerdere onderzoekers. Kauzlarich en Thacker bundelden deze onderzoeken in een publicatie in het tijdschrift ‘Journal of Rehabilitation Research and Development’. Hun bevindingen worden hierna beschreven.
Figuur 14: Indrukking wiel [3]
Figuur 14 toont de indrukking van een wiel (stippellijn) wanneer deze met een kracht P wordt belast. In het midden van het contactoppervlak wordt het wiel δ 0 ingedrukt. Doordat de kunststofbekleding onsamendrukbaar is, zal het wiel echter uitbuigen waardoor het contactoppervlak tussen het wiel en de ondergrond zich tussen + en – b zal bevinden. [3] Door kracht F zal het wiel rollen over het oppervlak. Tussen +b en 0 zal een arbeid worden uitgeoefend op het wiel door de ondergrond en wordt het wiel over een maximale afstand δ ingedrukt. Tussen 0 en –b zit de ontlastzone. Hier zal het wiel een arbeid uitoefenen op de ondergrond en de vervorming terug afnemen. Als de arbeid in het voorste deel van het contactoppervlak gelijk zou zijn aan deze in het achterste deel, dan zou kracht F gelijk kunnen zijn aan 0. Deze situatie doet zich echter niet voor. Doordat het materiaal van de wielbekleding niet perfect elastisch is, zal een energieverlies optreden. Deze verliezen worden hysteresisverliezen genoemd. Deze vertalen zich in een opwarming van het wiel en het optreden van een rolweerstand. 19
Bij een wiel met kunststofbekleding worden de hysteresisverliezen in de stalen naaf van het wiel als verwaarloosbaar beschouwd ten opzichte van deze in de kunststofbandage.
Daarnaast
worden
de
verliezen
in
de
rand
eveneens
verwaarloosd. De onderstaande theorie beperkt zich tot de verliezen die optreden in het contactoppervlak tussen het wiel en de ondergrond. [3] De rolweerstandskracht F kan op volgende manier worden berekend: [3]
𝐹 = 2,5. 𝛼𝑠 .
3 16
4
.
𝑃3 𝑅
3 𝑅.𝑅 ′
. 𝑚. [ .
2 𝑅+𝑅 ′
1
.
1−𝜈2 3 𝐸
]
Hierin is: -
F = rolweerstandskracht [N]
-
αs = hysteresisverliesfactor bij afschuiving [-]
-
P = wielbelasting [N]
-
R = buitenstraal wiel [m]
-
R’ = wielradius [m]
-
ν = Poissonfactor wielbekleding [-]
-
E = elasticiteitsmodulus wielbekleding [N/m²]
-
m = constante wielgeometrie [-]
Figuur 15: Wielgeometrie [3]
De factor 2,5 is afkomstig uit experimenten. Deze tonen aan dat bij rollen de verliesfactor 2,5 keer de hysteresisverliesfactor bij afschuiving (αs) is. [3]
20
Via de vergelijkingen van Hertz wordt een uitdrukking bekomen voor de constante m: [3] 𝑚 = 1,00068 − 0,82769𝜓 + 24,60152𝜓2 − 126,41967𝜓3 + 291,5357𝜓4 − 307,32116𝜓5 + 122,85733𝜓6
Waarbij:
𝑅 − 𝑅′ 𝜓= 𝑅 + 𝑅′ De hysteresisverliesfactor αs van het materiaal kan eenvoudig bepaald worden aan de hand van een test met een torsieslinger. Bij de bepaling hiervan moeten de temperatuur, belastingfrequentie en spanning deze van het wiel zo goed mogelijk benaderen. [3][6] Paragraaf 2.3.4.2 toont dat deze factor temperatuur- en snelheidsafhankelijk is.
2.3.3.2
Tweede berekeningsmethode
Een tweede berekeningsmethode voor het bepalen van de rolweerstand maakt gebruik van onderstaande formule: [8]
𝑅=
4 (𝑏
ℎ 𝑊 − 𝑎) .[ ] 4,4 𝐸. 𝑠. 𝑏 2
1 3
Hierin is:
Als
-
R = rolweerstandskracht [N]
-
h = energieverliesfactor
-
W = wielbelasting [N]
-
b = buitendiameter wiel [m]
-
a = diameter stalen naaf [m]
-
s = wielbreedte [m]
-
E = elasticiteitsmodulus kunststofbekleding [N/m²] energieverliesfactor
h
kan
gebruik
gemaakt
worden
van
twee
materiaalconstanten. Enerzijds kan de hysteresisverliesfactor αs worden gebruikt, zoals in de eerste berekeningsmethode. Anderzijds kan de ‘tan δ’ waarde worden gebruikt. Beide materiaalconstanten kunnen via een torsieslingerproef worden bepaald.[8][6] 21
Testen hebben aangetoond dat de waarde die met voorgaande formule wordt bekomen niet gelijk is aan de rolweerstandskracht die bij experimenten wordt gemeten [8]. Een zeer goede benadering van deze kracht kan via onderstaande formule worden bekomen:
𝐹 = 𝑅. 𝑝 Hierin is: -
F = gemeten rolweerstandskracht [N]
-
R = berekende rolweerstandskracht [N] (volgens bovenstaande formule)
-
p = correctiefactor
De correctiefactor p = 2 indien bij de berekening van R de hysteresisverliesfactor αs wordt gekozen als waarde voor de energieverliesfactor h. Wanneer voor deze factor de materiaalconstante ‘tan δ’ wordt genomen, is de correctiefactor p = 2,25. [8]
22
2.3.3.3
Derde berekeningsmethode
Figuur 16: Wielvervorming Kunz [4]
De theorie uit deze berekeningsmethode is ontwikkeld door professor Kunz. [4] Wanneer een normaalkracht FN het wiel belast, zal een even grote maar tegengestelde reactiekracht optreden in het contactvlak tussen het wiel en de ondergrond. Door de vervorming van het wiel zal deze echter niet loodrecht onder de wielas liggen. De kracht zal over een afstand e verschoven zijn. Om het wiel te laten rollen zal hiervoor het rolweerstandsmoment MR (MR = FN . e) moeten worden overwonnen. [4][6] De rolweerstandskracht FR kan eenvoudig worden bepaald uit volgende formule: [5]
𝐹𝑅 =
2. 𝑀𝑅 𝑑𝑅
Hierin is: -
FR = rolweerstandskracht [N]
-
MR = rolweerstandsmoment [Nm]
-
dR = wieldiameter [m]
23
Het rolweerstandsmoment MR kan berekend worden via onderstaande formule: [5]
𝑀𝑅 ≈ 0,68. 𝑡𝑎𝑛𝛿𝑣 . 𝐹. 𝑏 ≈ 0,73. 𝑡𝑎𝑛𝛿𝑣 . √
(𝐹 3 .𝑑𝑅 ) 𝑙𝑎 .𝐸𝑣
Waarbij: -
F = wielbelasting [N]
-
b = halve breedte contactoppervlak [m]
-
la = wielbreedte [m]
-
tanδv = mechanische verliesfactor [-]
-
Ev = vergelijkingselasticiteitsmodulus [N/m²]
De vergelijkingselasticiteitsmodulus wordt als volgt bepaald: [4]
𝐸𝑣 = 2.
𝐸𝑅 . 𝐸𝑈 𝐸𝑅 + 𝐸𝑈
Hierin zijn: -
ER = elasticiteitsmodulus kunststofbekleding [N/m²]
-
EU = elasticiteitsmodulus ondergrond [N/m²]
Het bepalen van de mechanische verliesfactor gebeurt via volgende formule: [4][5]
𝑡𝑎𝑛𝛿𝑣 =
𝑡𝑎𝑛𝛿𝐿 . 𝐸𝐶 + 𝑡𝑎𝑛𝛿𝐶 . 𝐸𝐿 𝐸𝐶 + 𝐸𝐿
Hierin zijn: -
EC = kruipmodulus kunststofbekleding [N/m²]
-
EL = elasticiteitsmodulus ondergrond [N/m²]
-
tanδC = mechanische verliesfactor kunststofbekleding [-]
-
tanδL = mechanische verliesfactor ondergrond [-]
De bovenstaande formules zijn geldig voor wielen met een cilindrisch mantelvlak. [5] Professor Kunz ontwikkelde ook varianten voor convexe en concave wielen. Omdat rollercoasterwielen echter doorgaans een cilindrische vorm hebben, worden deze varianten hier niet behandeld.
24
2.3.3.4
Vierde berekeningsmethode
De laatste berekeningsmethode die in deze literatuurstudie aan bod komt, is ontwikkeld door ingenieur Lütkebohle. [6] Hierna worden de belangrijkste formules voor het bepalen van de rolweerstand uit zijn doctoraatsschrift gelicht.
Figuur 17: Belasting- en spanningsverloop in contactoppervlak [6]
Figuur 17 toont het resulterende verloop van de normaalspanning σz(x) bij een normaal vervormingsverloop εz(x) in het contactoppervlak tussen het wiel en zijn ondergrond. Dit verloop ligt bij de voorgaande theorie van Kunz ook al aan de basis. Het rolmoment wordt als volgt gedefinieerd: [6]
𝑀𝑅 = 𝐹𝑁 . 𝑒 = 𝐹𝑅 . 𝑟𝑎 Hieruit kan de rolweerstandskracht worden bepaald: [6]
𝐹𝑅 = 𝐹𝑁 .
𝑒 𝑟𝑎
Hierin is: -
FR = rolweerstandskracht [N]
-
FN = wielbelasting [N]
-
ra = radius wiel [m]
-
MR = rolweerstandsmoment [Nm]
-
e = excentriciteit [m]
25
de excentriciteitswaarde wordt beschreven door volgende formule: [6] 𝑎+𝑎′
𝑒=𝑎−
∫0
𝑥 .𝜎𝑧 (𝑥)𝑑𝑥
𝑎+𝑎′ ∫0
𝜎𝑧 (𝑥)𝑑𝑥
Voor deze berekening moet het verloop van de spanning σz(x) gekend zijn. Dit verloop is echter afhankelijk van verschillende invloedparameters zoals de temperatuur, de tijd en het belastingverloop. [6]
𝜎 = 𝜎[𝑡, 𝑇(𝜎, 𝜀), 𝜀(𝜎, 𝑇)] Hierdoor kan het spanningsverloop niet op een eenvoudig analytische wijze worden bepaald. Lütkebohle heeft hierdoor een vereenvoudiging in zijn berekeningen ingevoerd. Via
het
Maxwell-model
wordt
een
vereenvoudigde
beschrijving
van
de
rolweerstandskracht bekomen: [6]
𝐹𝑅 = 2. (
𝑎𝑀 ) . 𝐹𝑁 . 𝑑 𝑟𝑎 . 𝜋
Hierin is d gelijk aan de verliesfactor tanδ die ook al in de eerdere berekeningsmethodes aan bod is gekomen.
Figuur 18: Wielgeometrie [6]
26
De
onbekende
afstand
aM
staat
voor
de
halve
contactbreedte
van
het
contactoppervlak tussen het wiel en zijn ondergrond. Deze kan als volgt worden berekend: [6]
𝑎𝑀 = √
𝐹𝑁 .𝑟𝑒 .𝜋 𝐵.𝐸 ′ .2.(1−ν)
Hierin staat E’ voor de opslagmodulus van de kunststofbekleding en ν voor de constante van Poisson. De laatste onbekende die moet worden bepaald is de factor re. Hiervoor geldt onderstaande formule: [6]
r .r
re = r 1+r2 1
2
Figuur 19: Wielgeometrie [6]
27
2.3.4
Interpretatie van de invloedfactoren
Op basis van de formules uit de voorgaande berekeningsmethodes kan de invloed van de verschillende parameters worden afgeleid. Deze parameters of factoren kunnen worden ingedeeld in tijdsafhankelijke en –onafhankelijke factoren.
2.3.4.1
Tijdsonafhankelijke factoren
Zoals in de inleiding reeds is vermeld, is de rolweerstand van een wiel hoofdzakelijk afhankelijk van drie factoren: [1][8] -
Wielbelasting,
-
Wielgeometrie (dikte van de bekleding, diameter en breedte van het wiel),
-
Materiaaleigenschappen van de kunststofbekleding.
In elk van de voorgaande berekeningsmethodes is met elk van deze factoren steeds rekening gehouden in de formule voor het bepalen van de rolweerstandskracht. De grootte van de rolweerstand kan dan ook worden gewijzigd door het aanpassen van één of meerdere van deze factoren. Als eerste kan de wielbelasting variëren. Een toenemende wielbelasting zorgt voor een stijging van de rolweerstandskracht. Deze stijging is echter niet lineair. Bij een verdubbeling van de belasting zal de rolweerstandskracht meer dan verdubbelen. In de eerste twee berekeningsmethodes verhoudt de rolweerstandskracht F Rol zich tot de wielbelasting P als volgt: 4
𝐹𝑟𝑜𝑙 ~ 𝑃 3 In de derde en vierde theorie is het verband: 3
𝐹𝑟𝑜𝑙 ~ 𝑃 2
28
Een tweede factor die kan variëren, is de wielgeometrie. Hierbij kunnen drie afmetingen worden aangepast, namelijk: [1] -
De wieldiameter: een toename van de wieldiameter leidt tot een afname van de rolweerstand. Indien mogelijk kan dus voor een groter wiel worden geopteerd indien een lagere rolweerstand gewenst is.
-
De wielbreedte: een breder wiel heeft een lagere rolweerstand.
-
De bandagedikte: een dunnere wielbekleding verlaagt de rolweerstand. Echter daalt hierbij ook het draagvermogen en het dempingsvermogen van het wiel. De dikte van de bekleding wordt best zo dik gekozen als nodig voor het draagvermogen maar zo dun als mogelijk voor de rolweerstand.
Als laatste kan de rolweerstand worden aangepast door het gebruik van een kunststof met andere materiaaleigenschappen. Een kunststof met een lagere verliesfactor en een hogere treksterkte zal een lagere rolweerstand hebben. [1][3]
29
2.3.4.2
Tijdsafhankelijke factoren
2.3.4.2.1
Temperatuurafhankelijkheid
De rolweerstand van een wiel kan eveneens variëren tijdens zijn gebruik zonder dat de geometrie, de belasting of het materiaal van het wiel worden aangepast. Deze variatie is te wijten aan de temperatuurverandering. [6][8] In elk van de besproken berekeningsmethodes is een verliesfactor opgenomen. Deze factor wijzigt bij een veranderende temperatuur. Figuur 20 toont het verband tussen de verliesfactor d en de temperatuur.
Figuur 20: Temperatuurafhankelijkheid verliesfactor [6]
Wanneer de temperatuur van de bandage beneden de glastransitietemperatuur (Tg) ligt, zal de verliesfactor toenemen bij een toenemende temperatuur. Hij bereikt een maximum bij de glastransitietemperatuur zelf en daalt nadien opnieuw. De curve uit Figuur 20 is voor elk materiaal verschillend. [8] Deze temperatuurafhankelijkheid wordt ingedeeld bij de tijdsafhankelijke factoren omwille van het feit dat de temperatuur van een wiel kan variëren tijdens zijn gebruik.
30
2.3.4.2.2
Belastingfrequentie
Naast de temperatuur van het wiel zal ook de belastingfrequentie een invloed hebben op de rolweerstand van het wiel. [3][6][8] Deze frequentie hangt samen met de omwentelingssnelheid van het wiel. Hoe sneller het wiel rijdt, hoe hoger de frequentie zal zijn waarmee de kunststof op een bepaalde plaats van de omtrek van het wiel zal worden belast.
Figuur 21: Invloed belastingfrequentie op verliesfactor
Figuur 21 toont het verloop van de afschuifmodulus G’ en de verliesfactor d in functie van de temperatuur en dit voor meerdere belastingfrequenties. (f1 < f2 < f3) Daaruit blijkt dat de curves uit Figuur 20 voor G’ en d naar rechts zullen opschuiven bij een toenemende belastingfrequentie. [6][8] Afhankelijk van de temperatuur zal een verhoging van de rolsnelheid van het wiel dus een toename of afname van de rolweerstand met zich mee brengen. De belastingfrequentie is immers evenredig met de rolsnelheid.
31
3
Testbank voor rollercoasterwielen
3.1
Inleiding
De testbank voor rollercoasterwielen werd in 2010-2011 ontworpen en in 2011-2012 gebouwd. Het opzet was om een testinstallatie te ontwikkelen die wielen kan testen op sterkte, levensduur, opwarming, hechting van de kunststof met de metalen kern, … Bij deze testen moeten het snelheidsverloop en de belasting dynamisch kunnen worden aangepast gedurende de testcycli. Tot dan toe had men enkel een testopstelling waar de wielbelasting en -snelheid constant waren gedurende de test. Deze tweede testbank wordt nog steeds gebruikt, maar dan niet voor het testen van rollercoasterwielen. De testbank is al enkele decennia oud en zal binnen afzienbare tijd uit dienst worden genomen of worden vervangen. De testbank die in deze thesis wordt behandeld, is de modernste testbank uit 2012 die op Figuur 22 staat afgebeeld en dynamische testen kan uitvoeren. Door deze dynamische testen werd het voor Vulkoprin mogelijk om achtbaanritten te simuleren en zo de geschiktheid van hun wielen te testen, zelfs voor achtbanen die nog in ontwerpfase zitten. Naast deze geschiktheidstesten voor rollercoasters wordt de testbank ook voor andere doeleinden gebruikt. Onder andere de levensduur en maximale draaglast in combinatie met diverse snelheden worden getest. Enkele fouten die bij de testen naar boven kunnen komen, staan opgesomd in hoofdstuk 3.4. Ondanks het feit dat de testbank origineel voor achtbaanwielen werd ontworpen, worden tegenwoordig ook heftruckwielen en andere op deze opstelling getest. Om te begrijpen waarover het gaat wanneer in deze scriptie onderdelen van de testbank bij naam worden genoemd, volgt hier eerst een algemene bespreking van de opbouw en werking van de installatie zoals die bij aanvang van de scriptie was opgebouwd.
32
3.2
Opbouw en werking
Figuur 22 toont de testbank zoals die er uit zag bij aanvang van de thesis.
Legende: A) Loopwiel B) Figuur 22: Testbank voor rollercoasterwielen (VTI-Tielt)
Testwiel
C) Wielvork D) Beweegbare brug E)
Persluchtcilinders
F)
Asynchrone motor
G) frequentieregelaar
33
De algemene werking van de testbank is als volgt: (in onderstaande tekst verwijzen de letters naar de onderdelen op Figuur 22) Gedurende de testcycli is het de bedoeling dat de snelheid van het testwiel (B) en zijn belasting dynamisch kunnen worden aangepast in de tijd. Vooraleer de test te starten, wordt het testwiel gemonteerd in een wielvork (C) dat onderaan een beweegbare brug (D) is bevestigd. Bij aanvang van de test zakt de brug zodat het testwiel op het loopwiel (A) komt te staan. Dit loopwiel simuleert de ondergrond waarop het testwiel rijdt en zal het testwiel op de gewenste snelheid brengen d.m.v. een asynchrone motor (F) en riemoverbrenging. Naast de snelheidssimulatie is er ook een simulatie van de belasting. Deze wordt verwezenlijkt door pneumatische cilinders (E) waarvan hun drukkracht via de luchtdruk wordt geregeld door een elektronische
drukregelaar.
Het
aansturen
van
deze
drukregelaar
en
de
frequentieregelaar (G) van de motor gebeurt door een computer. Het programma dat dit stuurt, leest voor het starten van elke test een tekstbestand in. Dit bestand beschrijft het verloop van de te simuleren rit op basis van drie parameters: de snelheid van het testwiel, de belasting op het testwiel en het tijdsinterval waarover deze situatie moet worden aangehouden. Door meerdere van deze parameterregels in het tekstbestand op te nemen, kan een ritverloop worden nagebootst. De gebruiker kan meegeven hoeveel keer hij de ingelezen rit wil laten doorlopen. Tijdens de test wordt de temperatuur van het wiel op verschillende plaatsen gemeten. Deze metingen worden weggeschreven naar een tekstbestand dat nadien door de gebruiker kan worden geraadpleegd.
3.2.1
Snelheidssimulatie
De omtreksnelheid van het testwiel (B) kan variëren tussen 12 en 120 km/u. Hiervoor wordt
door
de
computersturing
frequentieomvormer.
Afhankelijk
een
PWM-signaal
van
de
uitgestuurd
gemiddelde
waarde
naar
een
van
dit
spanningssignaal regelt deze frequentieregelaar (G) op zijn beurt de snelheid van een asynchrone driefasenmotor (F) van 7,5 kW. Deze motor brengt via een riemoverbrenging het loopwiel (A) op de gewenste snelheid.
34
3.2.2
Loopwiel
Het loopwiel (A) brengt het testwiel op gewenste snelheid en simuleert de ondergrond waarop het testwiel moet rijden. Hiervoor zijn twee types loopwielen beschikbaar. De ene met een vlakke omtrek voor de simulatie van het rijden op een vlakke ondergrond. Een tweede met een afgeronde loopweg die de afronding van een achtbaanrail benadert. Dat loopwiel is in Figuur 23 te zien.
Figuur 23: Loopwiel met afgeronde loopweg
35
3.2.3
Krachtsimulatie
De maximale belasting die op het testwiel kan inwerken bedraagt 30 kN. Deze waarde wordt door het bedrijf algemeen genomen als maximale belasting die op een heftruck- of rollercoasterwiel kan terechtkomen tijdens zijn werking. De belasting wordt gecreëerd d.m.v. twee persluchtcilinders (E). De luchtdruk van beide cilinders wordt via een elektronische drukregelaar geregeld. Deze is op zijn beurt aangestuurd door een PWM-signaal die afkomstig is van de computersturing. Hierdoor kan de belasting dynamisch worden geregeld. Deze relatief grote cilinders zijn op Figuur 22 en Figuur 24 zeer goed zichtbaar.
Figuur 24: Persluchtcilinders krachtsimulatie
36
3.2.4
Opspansysteem testwiel
Het testwiel wordt in de installatie gemonteerd in een wielvork (C). Dit wielvork is bevestigd aan de brug (D). Deze brug is d.m.v. rechtgeleidingen bevestigd aan het machineframe. Hierdoor kan deze in verticale richting een perfect rechtlijnige beweging
uitvoeren.
Bovenaan
de
brug
zijn
de
zuigerstangen
van
de
persluchtcilinders bevestigd. Hiermee wordt de kracht van de cilinders via de brug en het wielvork op het testwiel overgebracht. Het testwiel kan eenvoudig worden vervangen of gemonteerd door de cilinders te laten inschuiven en zodanig de brug naar boven te brengen. De brug is de dwarsbalk die op Figuur 22 te zien is tussen het testwiel en de zuigerstangen van de persluchtcilinders. Beide benen van het wielvork kunnen ten opzichte van elkaar worden verschoven. Hierdoor kan het testwiel uit het midden van het loopvlak van het loopwiel worden geplaatst en kunnen wielen met verschillende breedtes worden gemonteerd. In het wielvork kunnen wielen worden gemonteerd met een diameter van 100 tot 400 mm.
Figuur 25: wielvork met verstelbare benen
37
3.2.5
Sturing
3.2.5.1
Hardware
Op Figuur 22 is aan de rechterkant van de installatie de hardware van de sturing zichtbaar. Deze bevat de frequentieregelaar voor de motor, de drukregelaar voor de persluchtdruk, de data-acquisitiekaart voor communicatie met computer, kortsluiten overstroombeveiliging van de installatie, noodstoprelais, …
3.2.5.2
Computersturing - software
Het sturen van de testbank gebeurt d.m.v. een computer. Deze communiceert via een data-acquisitiekaart met de frequentieregelaar en de drukregelaar voor het regelen van de snelheid en kracht. Daarnaast worden via de ingangen van de kaart sensoren ingelezen. Deze sensoren meten onder andere de temperatuur van het testwiel op het loopvlak en in zijn kern en de indrukking van het wiel ten gevolge van de belasting. Tot slot bewaakt de computer de sturing en omgekeerd. De computer zal het afvallen van het noodstoprelais detecteren en kan het ook aansturen. Wanneer de computer vastloopt, zal dit door de sturing worden gedetecteerd en zal het noodstoprelais eveneens afvallen. De computer staat in het bedrijf buiten de veiligheidskooi die rondom de installatie werd geplaatst. Hij is verbonden via een USB-kabel met de data-acquisitiekaart die zich in de stuurkast bevindt.
38
Het bedienen van de testbank gebeurt via een grafische interface die werd geprogrammeerd in Visual Basic. De interface op het computerscherm zag er bij aanvang van de thesis uit zoals op Figuur 26 wordt weergegeven.
Figuur 26: Interface computer
39
De betekenis van de verschillende elementen is de volgende: 1. Via deze knop selecteert de gebruiker het gegevensbestand voor de test. 2. Bij aantal cycli kan de gebruiker ingeven hoeveel testcycli hij achtereenvolgens wil uitvoeren. 3. Als de computer een verbinding vindt met de stuurkaart zal hier een groene vink oplichten in plaats van het rode uitroepteken. 4. Als het noodstopcircuit van de machine correct werd gereset, zal hier een groene vink oplichten. 5. Hier kan de test worden gestart of vroegtijdig manueel worden onderbroken. 6. Gedurende de test zal dit uitroepteken vervangen worden door een groene vink. 7. Dit kader toont de actuele waarden waarmee de test werkt. Zijnde de gesimuleerde kracht en snelheid, de tijd gedurende welke deze worden gesimuleerd, het volgnummer van de testcyclus en het lijnnummer uit het gegevensbestand waarmee de test loopt. 8. In dit kader worden de actuele uitlezingen van de sensoren weergegeven. Zowel van de temperatuur van het wiel op verschillende plaatsen als van de indrukking van het testwiel. Daarnaast wordt weergegeven hoeveel vermogen de motor opneemt vanuit de frequentiesturing. 9. Hier geeft de gebruiker in hoelang de waardes van de sensoren nog moeten worden geregistreerd na het beëindigen van de testcycli. 10. De meetwaardes worden weggeschreven in het bestand dat hier wordt weergegeven. 11. De gebruiker kan hier de maximale temperatuur instellen tot welke het testwiel mag opwarmen. Indien één van de temperatuursensoren een overschrijding van deze temperatuur registreert, treedt de installatie in noodstopsituatie. 12. De ingelezen gegevens uit het gegevensbestand worden hier weergegeven.
40
Het gegevensbestand dat dient te worden ingelezen is een txt-file en bevat lijn per lijn volgende grootheden voor het sturen van de test: -
Tijd [s],
-
Kracht [N] en
-
Snelheid [km/u].
3.3
Aanvankelijke mogelijkheden
Voor een beter overzicht volgt hier een korte samenvatting van de mogelijkheden van de testbank bij aanvang van de thesis. -
Montage van wielen met diameter tussen 100 en 400 mm;
-
Géén instelmogelijkheid tot toespoor, uitspoor en camber (wielhoeken 0°);
-
Snelheidsregeling tussen 12 en 120 km/u;
-
Belasting op wiel regelbaar van 0 tot 30 kN;
-
Opmeten van de wieltemperatuur op verschillende plaatsen met 3 temperatuursensoren;
-
Opmeten van de indrukking van het testwiel gedurende de test.
3.4
Foutopsporing
De fouten die d.m.v. de testbank kunnen worden opgespoord zijn onder meer de volgende: -
Slechte hechting kunststofband met metalen wielkern;
-
Thermische overbelasting kunststofband;
-
Scheurvorming t.g.v. te hoge belasting (te kleine draaglast);
-
Te grote aandrijfkrachten die leidden tot dwars- en langsscheuren in het manteloppervlak.
Voorgenoemde fouten worden veroorzaakt door een te hoge snelheid, een te hoge belasting van het wiel of door een fout tijdens het productieproces.
41
4
Doelstellingen
Vulkoprin heeft de beschikking over twee testbanken waarbij de wielen kunnen worden getest. Het doel van het eindwerk is om één van deze aan te passen zodat de rolweerstandskracht van het geteste wiel kan worden opgemeten. Concreet zullen bij de modernste testbank, deze voor rollercoasterwielen, aanpassingen moeten worden doorgevoerd. Er dient te worden nagegaan welke mechanische en elektrische wijzigingen nodig zijn aan de installatie om de rolweerstand van een wiel te achterhalen. Deze moeten worden uitgewerkt én uitgevoerd. Meer info over de gewenste aanpassingen is terug te vinden in paragrafen 4.1 en 4.2. Eenmaal de aanpassingswerken zijn doorgevoerd, zullen enkele metingen moeten gebeuren. Het doel van deze metingen is nagaan of de meetopstelling juiste resultaten weergeeft. Hiervoor zullen de meetgegevens vergeleken worden met wat uit de theorie wordt verwacht.
42
4.1
Mechanische aanpassingen
Op mechanisch vlak moeten de wijzigingen bij voorkeur zo weinig mogelijk veranderen aan de bestaande constructie. Het is wenselijk dat de machine steeds terug naar zijn oude toestand kan worden omgebouwd. De oorspronkelijke maximale wielafmeting die moet kunnen worden gemonteerd, moet behouden blijven. Een bijkomende wens is om het wielmontagesysteem een extra vrijheidsgraad te geven. Deze instelmogelijkheid tot toespoor of uitspoor wordt bestempeld als nice to have. Het is dus geen absolute vereiste maar wel wenselijk. Toespoor of uitspoor is een opzettelijke afwijking van de wielstand ten opzichte van zijn wielas. Het wiel is onder een welbepaalde hoek verdraaid waardoor zijn voorkant naar buiten of binnen toe is gericht bij het naar voor rijden. Bij een voertuig is er sprake van toespoor wanneer de voorzijdes van de voorwielen naar binnen toe wijzen. Uitspoor is net het omgekeerde: de wielen zijn naar buiten toe gericht. Beide zijn in Figuur 27 weergegeven (in bovenaanzicht) voor de vooras van een voertuig. De pijl duidt op de rijrichting.
Figuur 27: Toespoor en uitspoor
43
4.2
Aanpassingen aan sturing
Op elektrisch gebied wordt verwacht om de bestaande sturing zoveel als mogelijk te behouden. Waar nodig zal deze worden uitgebreid. De originele sturing heeft intern enkele elektronische printplaten. Hiervan moet de mogelijkheid worden bekeken om deze door standaardcomponenten te vervangen. De aansturing gebeurt via een computer met een grafische interface. Hierachter draait een programma dat werd geschreven in Visual Basic (VB). Deze interface zal moeten worden uitgebreid en bijgevolg ook de VB-programmacode. Volgende zaken dienen zeker te worden gewijzigd: -
Uitlezen van de rolweerstandskracht naar een txt-bestand;
-
Weergeven op de grafische interface van de computer wat de oorzaak is van een noodstop. Oorspronkelijk wordt dit niet weergegeven;
-
Detectie van het “opspringen” van de brug herbekijken. Het oorspronkelijk detectiesysteem faalt hierbij. Er dient een werkend alternatief te worden uitgewerkt;
-
Weergeven op de grafische interface hoelang een cyclusdeel van de test nog duurt. Oorspronkelijk kan dit niet worden afgelezen en is het gissen naar de resterende tijd van een cyclusdeel;
-
Mogelijkheid tot het invoeren van een zelfgekozen bestandsnaam voor het bestand waarnaar de meetresultaten worden weggeschreven. Oorspronkelijk is deze bestandsnaam niet zelf te kiezen. Dit is onhandig wanneer meerdere dezelfde testen op één dag worden uitgevoerd.
Volgend punt is gewenst, maar geen absolute vereiste: -
Weergave van de temperatuurmeting van de voorbije 15 minuten in een dynamische grafiek op het computerscherm.
44
5
Mechanisch ontwerp
5.1
Conceptvoorstelling
De eerste stap in het ontwerpproces is die van de conceptanalyse. Hierbij worden eerst verschillende voorontwerpen op papier gezet om deze vervolgens aan enkele criteria af te toetsen. De criteria die worden gehanteerd bij het ontwerp van de rolweerstandsmeting zijn: -
Maximaal behoud van de bestaande installatie met in het bijzonder de brug;
-
Compactheid van het ontwerp;
-
Minimum aantal onderdelen (kostprijs, montage);
-
Eenvoud van gebruikte/te produceren onderdelen;
-
Verwachte meetnauwkeurigheid rolweerstandskracht;
-
Mogelijkheid tot instellen toespoor en uitspoor;
-
Mogelijkheid tot uit-werking-stellen van rolweerstandsmeting;
-
Mogelijkheid om installatie terug naar zijn oude toestand om te bouwen.
Elk ontwerp krijgt een score van nul (zwak) tot vijf (excellent) voor elk criterium. Aan elk van deze criteria wordt bovendien een gewichtsfactor toegekend volgens hun mate van belangrijkheid. Vervolgens worden deze scores vermenigvuldigd met de bijbehorende gewichtsfactoren. De gewogen som van deze deelscores geeft uiteindelijk een beeld van de sterkte van elk ontwerp. Op basis van de bekomen eindscores wordt het beste ontwerp geselecteerd om verder te worden uitgewerkt. Wat hierna volgt is een overzicht van de verschillende concepten. Aansluitend wordt de puntenmatrix gegeven en een besluit getrokken uit de conceptanalyse. In de hiernavolgende kladschetsen is de brug steeds met potlood grijsgekleurd. De weegcellen zijn voorgesteld door blauwgekleurde vierkantjes. De rotatieassen van de constructie zijn telkens aangeduid.
45
5.1.1
Concept 1
Het ontwerp omvat een scharnierpunt die zich onder de brug bevindt. De weegcellen zijn
gepositioneerd
op
dezelfde
hoogtelijn
als
het
scharnier.
Figuur 28: Concept 1
In dit concept wordt de bestaande brug volledig behouden. Het zal een minimum aantal onderdelen vereisen die bovendien eenvoudig in uitvoering zullen zijn. Het ontwerp is compact maar heeft geen mogelijkheid tot het instellen van toe- en uitspoor.
5.1.2
Concept 2
Dit ontwerp heeft zijn scharnierpunt bovenop de brug. De weegcellen zitten gemonteerd in het I-profiel.
Figuur 29: Concept 2
Bij dit ontwerp dient de originele brug te worden vervangen. Het is compact onder de brug, waar de reserveruimte beperkt is, maar complexer aan de bovenzijde. Er is eveneens geen instelmogelijkheid tot toe- of uitspoor van het testwiel.
46
5.1.3
Concept 3
Het derde concept is sterk gebaseerd op het voorgaande. Echter is hier de mogelijkheid voorzien om de opspanconstructie rond de verticale as te roteren. Hierbij ontstaat de mogelijkheid om toe- en uitspoor van het wiel in te stellen. Door deze rotatie van de constructie zijn de weegcellen verplaatst naar de bovenzijde van de brug in plaats van aan de binnenzijde van het I-profiel. Aan de bovenkant van de brug dient een schaalverdeling te worden voorzien om de sporing van het wiel te kunnen
instellen
tot
op
één
graad
nauwkeurig.
Figuur 30: Concept 3
Ook bij dit ontwerp is de constructie onder de brug niet groter dan de huidige opstelling. Een vervanging van de huidige brug is echter ook noodzakelijk. Tot slot is deze opstelling vrij complex.
47
5.1.4
Concept 4
In deze opstelling bevindt het scharnier zich opnieuw bovenaan. Echter is hier getracht om de huidige brug te behouden, in tegenstelling tot bij de twee voorgaande concepten. Om dit te verwezenlijken worden de dwarse delen van de brug omarmd om zo de verbinding te vormen tussen de boven- en onderzijde van de constructie.
Figuur 31: Concept 4
Ook hier kan geen toe- of uitspoor worden ingesteld. Het ontwerp is weliswaar compact aan de onderzijde.
5.1.5
Concept 5
Bij dit concept wordt het scharnierpunt “in” de brug geplaatst. Ook de weegcellen zijn hierbij ingebouwd. Hierdoor is het compact, maar dient de bestaande brug te worden vervangen. Er is geen mogelijkheid tot het instellen van toe- of uitspoor.
Figuur 32: Concept 5
48
5.1.6
Concept 6
In dit laatste concept zit het scharnierpunt in de wielvorken in plaats van erboven. De weegcellen worden gepositioneerd aan de zijkanten van het wielvork.
Figuur 33: Concept 6
Dit ontwerp vraagt slechts een kleine aanpassing van de bestaande constructie. Het heeft echter een grotere complexiteit door de positie van het scharnierpunt. Er stelt zich de vraag of er voldoende restruimte bestaat in de huidige opstelling om dit concept te verwezenlijken. Tot slot blijkt de hefboomsarmverhouding kleiner dan bij alle voorgaande ontwerpen. Dit vermindert de meetnauwkeurigheid.
49
5.1.7
Puntenmatrix
Tabel 1: Puntenmatrix conceptanalyse
Concept 5
Concept 6
Eenvoud
Concept 4
Aantal onderdelen
Concept 3
Compactheid
Concept 2
Behoud installatie
Concept 1
Gewichtsfactor
Criteria
2 1 1
5 4 4
0 3 3
0 3 3
3 3 2
0 4 4
3 3 3
2 3 2
3 4 0 2
2 4 5 2
2 4 0 2
4 4 0 2
2 2 0 2
Weerstandsmeting uit werking stellen
2
4 3 0 4
Ombouwen naar oude toestand
3
5
0
0
5
0
4
/80
58
28
36
56
32
38
Meetnauwkeurigheid Toe- en uitspoor
Gewogen som
5.1.8
Besluit
Het eerste concept komt uit de puntenmatrix als beste naar voren. Met een resultaat van 58/80 haalt hij het nipt van het vierde concept. Alle andere concepten scoren beduidend minder goed. Bovendien voldoet dit eerste concept het meeste aan wat men bij Vulkoprin reeds in gedachten had. Met deze kennis kan het concept verder worden uitgewerkt. Zoals op de volgende pagina’s zal blijken, is de mogelijkheid om toe- en uitspoor in te stellen alsnog in het ontwerp geïntegreerd.
50
5.2
Uitwerking concept
Op basis van het resultaat van de conceptanalyse, werd overgegaan tot het uitwerken van het nieuwe wielopspansysteem in 3D. Het model werd enkele keren bijgestuurd om uiteindelijk te komen tot het eindresultaat.
5.2.1
Eerste ontwerp
5.2.1.1
Onderzijde scharnierpunt
Er wordt voor gekozen om de benen van het wielvork te gebruiken van de bestaande installatie. Deze worden ten opzichte van elkaar uitgelijnd via een T-vormige hoofdplaat. Deze glijdt in de gleuven van de vorkbenen.
Figuur 34: oorspronkelijk wielvork
In Figuur 35 is de hoofdplaat in het oranje weergegeven en één van de vorkbenen in het grijs. De hoofdplaat zal in het nieuwe ontwerp worden vervangen. Doordat het opspansysteem erboven moet kunnen scharnieren, dienen er scharnierpunten te worden aangebracht. Het concept van de bestaande plaat wordt behouden. Het nieuwe model zal enkel langer moeten zijn omwille van de scharnierpunten.
51
Figuur 35: Geleidingsgleuf
Figuur 36 toont de aangepaste bovenplaat. Hierop zijn opzetstukken gelast waar de scharnieras doorloopt.
Figuur 36: hoofdplaat eerste ontwerp
5.2.1.2
Bovenzijde scharnierpunt
Boven de scharnieras worden de scharnierpunten bevestigd aan de bovenplaat. Deze bovenplaat wordt gemonteerd aan de onderzijde van de brug.
Figuur 37: bovenplaat eerste ontwerp (onderzijde)
Om de instelmogelijkheid tot toespoor en uitspoor te voorzien, worden in deze bovenplaat twee boogvormige gleuven aangebracht. Door deze gleuven zullen vier 52
bouten komen te zitten die de ganse constructie aan de brug bevestigd. Door de boutverbindingen een weinig los te draaien, zal het mogelijk zijn om het opspansysteem te roteren onderaan de brug. De gleuven worden zo uitgevoerd dat de instelhoek voor de sporing maximaal 10° kan bedragen in beide richtingen. Voldoende aandraaien van de bouten zorgt ervoor dat de constructie terug vastzit en de spoorhoek niet meer wijzigt.
Figuur 38: Bovenaanzicht bovenplaat aan brug
Zoals in Figuur 38 te zien is, werden de gleuven zo gepositioneerd dat de bevestigingsbouten door de bestaande gaten van de brug komen te zitten. Hierdoor kan, zoals in de conceptanalyse reeds is vermeld, de originele brug behouden blijven. Om bij het instellen van de sporing de bovenplaat goed onderaan te brug te laten glijden, dient de onderzijde van de brug wel te worden bewerkt. Oorspronkelijk is deze onderaan slechts op enkele plaatsen bewerkt. Voor het nieuwe ontwerp zal de ganse onderzijde vlak moeten worden gefreesd.
Figuur 39: Zijaanzicht eerste ontwerp
53
5.2.1.3
Bemerkingen
Dit eerste ontwerp is voor verbetering vatbaar. Volgende punten van kritiek komen naar boven na overleg met dhr. Maes: -
De scharnierpunten zien er visueel te licht uitgevoerd uit.
-
De scharnierpunten met een lasverbinding aan de hoofdplaat en bovenplaat vastmaken is mogelijk maar niet wenselijk. De scharnierpunten moeten perfect ten opzichte van elkaar zijn uitgelijnd. Bij het leggen van de lasverbindingen kan dit moeilijker worden gegarandeerd door optredende vervormingen ten gevolge van de warmte-input.
In de assembly van dit eerste ontwerp zijn weegcellen geplaatst uit de miniatuurreeks van het merk ‘Futek’. Deze hebben twee grote nadelen. Enerzijds zal hun kostprijs merkelijk hoger liggen dan die van een niet-miniatuuruitvoering. Anderzijds hebben deze weegcellen geen directe montagemogelijkheid. In het tweede ontwerp wordt dit probleem opgelost.
54
5.2.2
Tweede ontwerp
5.2.2.1
Scharnierblokken
Na de bemerkingen op het eerste ontwerp, zijn de scharnierblokken in het tweede ontwerp massiever uitgevoerd. Ze worden d.m.v. twee bouten vastgemaakt aan de boven- of hoofdplaat. De uitlijning wordt gegarandeerd door twee paspennen die de scharnierblokken t.o.v. hun bevestigingsplaat correct positioneert vooraleer ze worden vastgeschroefd. Op Figuur 40 zijn deze gaten voor de bevestigingsbouten en paspennen duidelijk zichtbaar.
Figuur 40: scharnierblok op hoofdplaat - tweede ontwerp
5.2.2.2
Schaalverdeling sporing
Om de ingestelde spoorhoek te kunnen aflezen, wordt bovenop de hoofdplaat een schaalverdeling aangebracht. Aan de voorzijde van de brug komt eveneens een merkpunt die het midden aanduidt. Deze schaalverdeling is te zien op Figuur 41. De hoofdplaat is er rood gekleurd.
Figuur 41: schaalverdeling op hoofdplaat
55
5.2.2.3
Centreerpin
Om te verzekeren dat het opspansysteem rond het middelpunt van de as draait bij het instellen van de sporing, wordt een centreerpin voorzien. Deze pin wordt gelast aan de hoofdplaat en draait met een glijdende passing in een kamerboring die is aangebracht aan de onderzijde van de brug. Deze pin is rood gekleurd op Figuur 42.
Figuur 42: Centreerpin en blokkeringsplaatje
5.2.2.4
Blokkering scharnierpunt
Een wens was om de mogelijkheid te voorzien om de installatie ook te gebruiken zonder dat er een rolweerstandmeting wordt gedaan. Hiervoor moet de scharnierbeweging worden geblokkeerd. Dit wordt eenvoudigweg bekomen door het monteren van een blokkeringsplaatje. Dit plaatje is oranje gekleurd op Figuur 42. Het wordt bevestigd aan zowel de boven- als de hoofdplaat d.m.v. bouten. Eenmaal gemonteerd, voorkomen deze plaatjes dat het opspansysteem nog kan scharnieren om zijn as. De plaatjes zijn aan beide zijden van het systeem voorzien.
56
5.2.2.5
Weegcellen
De niet-miniatuur weegcellen van Futek die werden uitgekozen voor de meting van de rolweerstandskracht, worden rechtstreeks aan de bovenplaat gemonteerd. De keuze voor dit type weegcel wordt verderop verklaard in hoofdstuk 6.1.6. Voor hun montage
zijn
telkens
drie
boringen
voorzien
waarin
de
kop
van
de
bevestigingsbouten verzonken zijn. In de hoofdplaat zullen twee bouten worden geschroefd met op het uiteinde een bolmoer. (Figuur 63) Deze worden aangedraaid met een zekere voorspanning tot tegen de weegcellen en zullen de meetkracht op de weegcellen overbrengen. Dit systeem maakt het mogelijk om de opstelling fijn af te regelen. De bouten dienen na montage van het testwiel bij te worden geregeld totdat de weegcellen een voorspanningskracht uitlezen die bijna gelijk is. In paragraaf 7.2.3 wordt toegelicht hoe de meetfout dan wordt gereduceerd wanneer de uitgelezen krachten in rust niet exact gelijk zijn.
5.2.2.6
Sleufblokkering
Bij de originele opstelling draait het loopwiel slechts in één richting. Zoals aangegeven bij de keuze van de meetmethode voor de rolweerstandskracht, zal in de aangepaste versie het loopwiel in beide richtingen moeten kunnen draaien. Hierdoor stelt zich een probleem. De as van het testwiel wordt in de gleuven van de benen van het wielvork geschoven. Wanneer het testwiel in de ene richting draait, zal de rolweerstandskracht het wiel in de gleuf blijven duwen. In de nieuwe opstelling zal zich echter ook de situatie voordoen waarbij de rolweerstandskracht de as uit de gleuf zal willen trekken, wanneer het loopwiel in de andere richting draait. Om dit te vermijden, wordt op het voorste been van het wielvork een blokkersleufplaat voorzien. Deze wordt zo gemonteerd dat de wielas van het testwiel voortaan gevangen zit in het wielvork en zodoende niet meer uit de sleuf kan lopen. Dit is te zien in Figuur 43 waar de blokkeersleufplaat donkergrijs gekleurd is en het wielvorkbeen lichtgrijs.
57
Figuur 43: blokkeersleufplaat
5.2.2.7
Glijlagers
De scharnieras wordt niet rechtstreeks in de scharnierblokken geschoven. Hiervoor worden glijlagers voorzien. Bij de keuze van deze glijlagers dient er op te worden gelet dat de maximale oppervlaktedruk van het lager niet wordt overschreden. De gekozen lagers zijn van het merk ‘IGUS’ (model GFM-2528-16). Via een selectietool op hun site, wordt een geschikt type glijlager geselecteerd. Figuur 44 toont het glijlager in het zwart, het scharnierblok in het rood en de as in het grijs. Elk scharnierblok bevat twee lagers, één aan elke zijde.
Figuur 44: glijlager
58
5.2.2.8
Algemeen overzicht
Figuur 44 en Figuur 45 tonen een globaal overzicht van het finale ontwerp van het vernieuwde wielopspansysteem.
Figuur 45: tweede ontwerp
Figuur 46: tweede ontwerp rechterzijaanzicht
59
5.3
Sterkte-analyse
Om te garanderen dat het ontworpen wielopspansysteem voldoende sterk is, dringt een sterkteberekening zich op. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van de Eindige Elementen Methode (EEM), ofwel Finite Element Method (FEM). Deze rekenmethode geeft een nauwkeurig beeld van het spanningsverloop en de verplaatsingen in de constructie. Op basis van de bekomen resultaten wordt een besluit geformuleerd omtrent de sterkte van het ontwerp. De berekening gebeurt met het rekenpakket ‘NX Nastran 9.1’. De analyse wordt twee maal uitgevoerd. De eerste keer worden de zeven scharnierblokken aan de onder- of bovenplaat vastgemaakt d.m.v. surface-to-surface Gluing. De tweede keer worden de scharnierblokken d.m.v. de 1D-connectie Bolt in Tapped Hole aan de boven- of onderplaat vastgeschroefd. De eerste analyse is makkelijker te configureren en zal een globaal beeld geven van de optredende spanningen. De tweede analyse geeft echter een nauwkeuriger resultaat, in het bijzonder ter hoogte van de boutverbindingen. Deze verbindingen worden beter gesimuleerd. Het configureren van het simulatiebestand is weliswaar complexer. Figuur 47 toont wat wordt bedoeld met het scharnierblok en de onderplaat.
Figuur 47: Scharnierblok op onderplaat
60
Er wordt verwacht dat de hoge spanningen in de eerste analyse zich eerder zullen voordoen aan de contactoppervlakken tussen de scharnierblokken en hun platen. Dit komt omdat hen wordt opgelegd om in contact te blijven met elkaar (surface-tosurface gluing). In de tweede analyse wordt de verbinding tussen de scharnierblokken en hun platen voorgesteld door middel van boutverbindingen. Hierdoor zullen de spanningen zich hoofdzakelijk in deze verbindingen voordoen. Bovendien zullen de scharnierblokken zich nu kunnen losmaken van hun platen waardoor de lokale verplaatsingen verschillend zullen zijn. Een interpretatie van de bekomen resultaten in beide analyses, en extra uitleg omtrent de assembly en de ingrijpende krachten, staat op de volgende bladzijden. De NX Nastran-uitvoerbestanden die uit deze analyses voortvloeiden, zijn terug te vinden op de cd-rom.
61
5.3.1
Vrijelichaamsschets
De vrijelichaamsschets (VLS) in Figuur 49 toont het wielopspansysteem losgemaakt van zijn omgeving. Volgende krachten grijpen op de constructie in: 1. De normaalkracht FN waarmee het wiel verticaal wordt belast. Deze bedraagt maximaal 30 kN in negatieve z-richting en grijpt in ter hoogte van het scharnierpunt. 2. De rolweerstandskracht Frol die ten gevolge van de normaalkracht en de wrijving van het wiel optreedt. Deze bedraagt doorgaans 1 tot 2% van de normaalkracht. [2] Hij grijpt in op de constructie op de plaats van de wielas. Hier wordt gerekend met een maximale rolweerstandskracht van 10% van de maximale normaalkracht, ofwel 3kN. 3. De reactiekracht Fmeting ten gevolge van het contactpunt met de weegcel. 4. De reactiekracht F’rol die optreedt in het scharnierpunt. 5. De reactiekracht Freactie die optreedt ten gevolge van de normaalkracht FN. Deze grijpt in op de plaats van de wielas.
Figuur 48: Vrijelichaamsschets wiel
62
Figuur 49: Vrijelichaamsschets sterkte analyse
Om een uitdrukking te bekomen voor de rolweerstandskracht, wordt gebruik gemaakt van een krachten- en momentenevenwicht: 𝛴𝐹𝑥 = 0 ∶ 𝐹𝑟𝑜𝑙 − 𝐹 ′ 𝑟𝑜𝑙 = 0 ↔ 𝐹𝑟𝑜𝑙 = 𝐹 ′ 𝑟𝑜𝑙 𝛴𝐹𝑧 = 0 ∶ 𝐹𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑒 − 𝐹𝑁 − 𝐹𝑚𝑒𝑡𝑖𝑛𝑔 = 0 ↔ 𝐹𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑒 = 𝐹𝑁 + 𝐹𝑚𝑒𝑡𝑖𝑛𝑔 𝛴𝑀𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑛𝑖𝑒𝑟 = 0 ∶ 𝐹𝑚𝑒𝑡𝑖𝑛𝑔 . 𝐿1 − 𝐹𝑟𝑜𝑙 . 𝐿2 = 0 ↔ 𝐹𝑟𝑜𝑙 = 𝐹𝑚𝑒𝑡𝑖𝑛𝑔 .
𝐿1 𝐿2
In de analyse werken de uitwendig ingrijpende krachten FN en Frol op de constructie in. De rolweerstandskracht werkt in op het wielvork ter hoogte van de wielas en bedraagt 3 kN. De normaalkracht grijpt in werkelijkheid boven het scharnierpunt in. Bij deze analyse treedt echter een probleem op: De translatie van de constructie in zijn Z-richting (DOF3) moet beperkt worden in minstens één van zijn onderdelen. Wanneer dit gebeurt voor een onderdeel die zich onder de scharnieras bevindt, dan zal het wielvork niet willen scharnieren rond deze as. Daarom wordt ervoor gekozen om de constraint (Fixed DOF3) aan te leggen boven het scharnierpunt en de 63
normaalkracht te vervangen door zijn reactiecomponent. Deze grijpt in op de wielas in het wielvork en bedraagt 30 kN in positieve Z-richting. De andere krachten die op de constructie inwerken, zijn reactiekrachten. Deze worden bekomen door de opgelegde beperkingen van de vrijheidsgraden van de constructie.
5.3.2
Materiaaleigenschappen en toelaatbare spanning
Bij de eindige elementen methode (EEM) worden de spanningen in de verschillende punten bepaald door de rekmatrix en de kennis van het gebruikte materiaal, zoals in onderstaande formule wordt weergegeven. [9] {𝜎(𝑥, 𝑦)} = [𝐷]. {𝜀(𝑥, 𝑦)} Waarbij: 𝜎(𝑥, 𝑦) = 𝑠𝑝𝑎𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑚𝑎𝑡𝑟𝑖𝑥 [𝐷] = 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑎𝑙𝑚𝑎𝑡𝑟𝑖𝑥 𝜀(𝑥, 𝑦) = 𝑟𝑒𝑘𝑚𝑎𝑡𝑟𝑖𝑥
De materiaalmatrix bevat materiaalconstanten zoals de elasticiteitsmodulus, de constante van Poisson, … . [9] Alle onderdelen van de constructie zijn vervaardigd uit staal type SJ235JO. Aangezien de materiaalconstanten uit de materiaalmatrix gelijk zijn voor alle staalsoorten, hoeft de exacte staalsoort niet te worden gedefinieerd aan het rekenpakket. Het volstaat om het eindige elementen rekenpakket mee te geven dat de materiaalsoort voor alle assembly-componenten staal is.
64
Wanneer de spanningen zijn berekend, dient een besluit te worden getrokken uit de bekomen resultaten. Om te besluiten dat de constructie voldoende sterk zal zijn, mag de maximaal optredende spanning de maximum toegelaten spanning niet overschrijden. Indien dit wel het geval is, zal het ontwerp worden afgekeurd en dringt een aanpassing zich op met het oog op een reductie van de maximaal optredende spanning. Voor het bepalen van de maximum toegelaten spanning worden bij de berekening van machineonderdelen en constructies drie belastinggevallen onderscheden. [9] -
Belastinggeval I = statische belasting;
-
Belastinggeval II = dynamisch zwellende belasting;
-
Belastinggeval III = dynamisch wisselende belasting.
In het geval van het wielopspansysteem is er sprake van belastinggeval II. De belasting is niet constant aanwezig. Bij een ontwerpberekening wordt als algemene vuistregel aangenomen dat de maximum toelaatbare spanning bij belastinggeval II (𝜎 ̅̅̅̅̅) 𝜎𝑡𝐼𝐼 . 𝑡𝐼𝐼 2/3 bedraagt van deze bij belastinggeval I (̅̅̅̅̅) Voor het bepalen van deze laatste wordt vertrokken van de vloeigrens (ReN) van het materiaal waarop een veiligheidsfactor wordt toegepast. Doorgaans wordt een veiligheidscoëfficiënt van 1,5 genomen. [9]
Aan de hand van voorgaande uitleg, wordt de maximum toelaatbare spanning voor het wielopspansysteem bepaald.
𝜎𝑡𝐼 = ̅̅̅̅
𝑅𝑒𝑁 235 𝑁/𝑚𝑚² = = 156,7 𝑁/𝑚𝑚² 1,5 1,5
𝜎 ̅̅̅̅̅ 𝑡𝐼𝐼 =
2 2 𝑁 ∗ ̅̅̅̅ 𝜎𝑡𝐼 = ∗ 156,7 = 104,5 𝑁/𝑚𝑚2 2 3 3 𝑚𝑚
In het besluit dient dus te worden nagegaan of de maximum optredende spanning deze maximum toelaatbare spanning van 104,5 N/mm² niet overtreedt.
65
5.3.3
Krachten en randvoorwaarden
Figuur 50: FEM-analyse krachten en constraints
Figuur 50 toont de assembly waarop de berekening wordt uitgevoerd. Het blauwe ‘speldenkussen’ wijst erop dat er een constraint ligt op de nodes van de bovenzijde van de bovenplaat. In dit geval is de translatie in de z-richting vast gemaakt (DOF3=Fixed) voor al deze punten. De rode pijlen duiden op de inwerkende krachten. Zoals eerder vermeld, is dit de normaalkracht FN en de rolweerstandskracht Frol. De geel/oranje pijlen duiden op een surface-to-surface Gluing. Dit betekent dat de vlakken van de verschillende componenten van de assembly op die plaats aaneengekleefd zijn. Ze vervangen de assembly constraints uit de prt-file. De binnenzijde van de scharnierblokken wordt door middel van surface-to-surface Contact glijdend gemaakt met de scharnieras. Zoals in de inleiding reeds wordt vermeld, is bij de tweede analyse de surface-tosurface gluing-verbinding tussen de schanierblokken en hun platen vervangen door een Bolt in Threaded Hole-constraint.
66
5.3.4
Eerste analyse
5.3.4.1
Spanningen
Voor het bepalen van de maximale spanning in de constructie, wordt de spanning die optreedt in de bout die tegen de krachtcel aandrukt met de reactiekracht Fre genegeerd. In de simulatie treedt een onrealistisch hoge spanning op in de scherpe punt van het element op het uiteinde van deze bout. De non-averaged maximale Von Mises-spanning bedraagt dan 62 N/mm² zoals te zien in Figuur 51. Elk 3D-element heeft de vorm van een tetraëder en is begrensd door zijn hoekpunten die knopen worden genoemd. Bij de non-averaged maximale Von-Mises-spanning wordt in iedere node de spanning weergegeven die in dat punt is berekend. De averaged Von Mises-spanning geeft in iedere node het gemiddelde van de spanningen die zijn berekend in de omliggende nodes.
Figuur 51: eerste analyse non-averaged Von Mises-spanning
67
De maximale averaged Von Mises-spanning bedraagt 54 N/mm² en treedt op in het middelste van de zeven scharnierblokken. Dit is weergegeven in Figuur 52.
Figuur 52: eerste analyse - averaged Von Mises-spanning
Er wordt opgemerkt dat deze maximale spanning een lokale piekspanning is. De spanningen in de omliggende nodes zijn kleiner dan 40 N/mm². Conclusie: de maximale spanning is laag genoeg.
Figuur 53: eerste analyse - averaged Von Mises-spanning detailzicht
68
5.3.4.2
Verplaatsingen
De maximale verplaatsing treedt op in het hoekpunt van de beide helften van het wielvork. Deze bedraagt 0,08 mm, zoals te zien in Figuur 54, en is bijgevolg aanvaardbaar.
Figuur 54: eerste analyse - verplaatsingen
69
5.3.5
Tweede analyse
5.3.5.1
Spanningen
In deze analyse worden de zeven scharnierblokken telkens d.m.v. twee bouten vastgeschroefd in hun onder- of bovenplaat via de 1D-connectie Bolt in Tapped Hole. Wanneer opnieuw de spanningspiek in de bout van de weegcel wordt genegeerd, treedt een piek op ter hoogte van de spider van één van de bevestigingsbouten van het
middelste
scharnierblok.
Deze
spider
representeert
de
kop
van
de
bevestigingsbout. De spanning in de aangrenzende nodes is ook hier heel wat kleiner, bijgevolg kan deze spanningspiek van 661 N/mm² ook worden genegeerd. De spanningspiek is voorgesteld in Figuur 55 en Figuur 56.
Figuur 55: Tweede analyse – spanningspiek
70
Figuur 56: Tweede analyse - spanningspiek spider
De plaats waar de maximale spanning opduikt is opnieuw in het middelste van de zeven scharnierblokken. Bij de vorige analyse was de spanningspiek beperkt tot één node. In deze analyse treedt de verhoogde spanning in een groter gebied op. De spanning in de nodes die grenzen aan dit gebied, daalt tot waardes van maximaal 60 N/mm². Ook hier is dus de conclusie dat de onderdelen sterk genoeg zullen zijn.
Figuur 57: Tweede analyse - maximale spanning
71
5.3.5.2
Verplaatsingen
De maximale verplaatsing treedt in deze analyse op in de wielas en bedraagt 0,14 mm en is te zien in Figuur 58. De maximale verplaatsing van het wielvork bedraagt hier 0,130 mm (t.o.v. 0,08 in de eerste analyse), zoals weergegeven in Figuur 59.
Figuur 58: Tweede analyse - verplaatsing wielas
Figuur 59: Tweede analyse - verplaatsing wielvork
5.3.6
Besluit
De maximaal optredende spanningen en verplaatsingen in beide analyses zijn aanvaardbaar. Ze overschrijden de maximum toegelaten spanning zoals berekend in hoofdstuk 5.3.2 niet. Het ontwerp is voldoende sterk om aan de inwerkende krachten te weerstaan.
72
5.4
Eindresultaat
5.4.1
Algemeen
Figuur 60: Eindresultaat opstelling vooraanzicht
Figuur 60 en Figuur 61 tonen hoe het tweede ontwerp uit 5.2.2 in de praktijk is omgezet.
Figuur 61: Eindresultaat opstelling zijaanzicht
73
Figuur 62: Eindresultaat opspanning testwiel
Figuur 62 is een detailfoto van de opspanning van het testwiel. De blokkeersleufplaat uit Figuur 43 verhindert dat de as uit de sleuf kan lopen wanneer het wiel in wijzerzin draait.
Figuur 63: Eindresultaat drukbout en weegcel
Op Figuur 63 is de bout te zien die met een zekere voorspanning tot tegen de weegcel moet worden aangedraaid. Deze geeft de meetkracht door op de weegcel. Meer info hierover staat in paragraaf 5.2.2.5.
74
5.4.2
Wieluitlijning
Om een nauwkeurige meting uit te voeren, is het belangrijk dat de installatie correct is uitgelijnd. Dit betekent dat de as van het scharnierpunt, het testwiel en het loopwiel loodrecht boven elkaar moeten liggen. Wanneer de schaalverdeling uit Figuur 41 een spoorhoek van 0° aangeeft, is dit reeds het geval voor het scharnierpunt en het loopwiel. De gebruiker kan vervolgens met behulp van een waterpaslaser het testwiel correct positioneren in het wielvork. (Figuur 64)
Figuur 64: Uitlijning opstelling m.b.v. waterpaslaser
75
Figuur 65 toont hoe deze positionering fijn kan worden afgeregeld. De sleuven in de wielvorkbenen (Figuur 25) zijn hiervoor verlengd. Door middel van twee stelbouten kan de sleufdiepte worden geregeld. Zo kan het testwiel in de sleuf worden geschoven totdat zijn as zich op de loodrechte lijn tussen de scharnieras en de loopwielas bevindt. Daarna kan de blokkeersleufplaat worden gemonteerd.
Figuur 65: Fijnregeling wielmontage
76
6
Sturing
6.1
Hardware
Het hardware-gedeelte van de sturing bestaat uit: -
Frequentieregelaar voor snelheidsregeling van de asynchrone motor;
-
Elektro-pneumatische drukregelaar voor drukregeling persluchtcilinders;
-
Stuurkast met inwendig: o Thermisch-magnetische
beveiligingen
tegen
overbelasting
en
kortsluiting; o 24V DC-voeding; o Noodstoprelais; o Snelheidscontrolerelais; o Data-acquisitiekaart (stuurkaart); o Opampkaart; o Relaiskaart; o … -
Computer.
De hardwarecomponenten bevinden zich binnen de veiligheidskooi van de installatie met uitzondering van de computer en een uitwendige noodstop die net naast de kooi staan opgesteld.
77
6.1.1
Stuurkaart
De communicatie tussen het hardware- en softwaregedeelte van de sturing verloopt a.d.h.v. een data-acquisitiekaart. Deze stuurkaart is via een USB-kabel verbonden met de computer. De signalen die de software door deze kabel stuurt, worden door de kaart omgezet en gebruikt om zijn uitgangen aan te sturen. Deze uitgangen zijn op hun beurt verbonden met de hardwarecomponenten van de installatie. Daarnaast bevat de stuurkaart ook ingangen. De signalen die door de hardware naar deze ingangen worden gestuurd, worden op hun beurt teruggestuurd naar de pc via de USB-verbinding. De stuurkaart die gebruikt wordt bij de testbank is de “VM167” van Velleman (Figuur 66). De belangrijkste specificaties zijn: [10] -
5 x analoge 10 bit ingangen: 0…5V / (30K);
-
8 x digitale 5V in-/uitgangen (in/uitgangsmode te selecteren in groepen van 4 terminals);
-
2 x 8-bit 5V PWM-uitgangen: 0 tot 100%;
-
1 x 32 bit pulsteller, ingangsfrequentie tot 1 MHz;
-
Uitgangsstroom, PWM: 10mA / digitale uitgangen: 6mA;
-
Aansluitmogelijkheid tot 2 kaarten op één pc.
Om de computer met deze stuurkaart te laten communiceren, moet een hardwaredriver op de pc worden geïnstalleerd. Daarnaast dient de ontwerper van de sturing zelf een programma te schrijven die signalen zal uitsturen en ontvangen via de USBpoort. Dit kan in verschillende programmeertalen gebeuren. Bij de testbank is gekozen voor “Microsoft Visual Basic”. De programmacode maakt gebruik van een Dynamic Link Library (DLL). Deze bibliotheek bevat alle communicatiecommando’s voor de communicatie tussen de computer en de stuurkaart.
78
Figuur 66: Velleman VM167 stuurkaart [10]
Figuur 67: Voorstelling in- en output stuurkaart [10]
79
6.1.1.1
Configuratie voor aanpassing
Bij aanvang waren de in- en uitgangen van de stuurkaart als volgt geconfigureerd: -
Digitale in-/uitgangen: o IO1: Controlesignaal noodstoprelais en frequentiesturing deze ingang gaat na of er geen noodstopsituatie van kracht is en of de frequentiesturing correct kan functioneren; o IO2: Controlesignaal USB-kaart Dit signaal gaat na of er een werkende verbinding is tussen de stuurkaart en de computer. Samen met het controlesignaal van IO1 vormt dit een voorwaarde om het softwareprogramma een testcyclus te kunnen laten starten; o IO3 en IO4: niet in gebruik; o IO5: startsignaal frequentiesturing; o IO6: stuursignaal lampenboom (groene en oranje lamp); o IO7: Stuurt continu 5V naar buiten die gebruikt wordt voor het controlesignaal van IO1 en IO2; o IO8: pulstrein ter controle op vastlopen van computer (later meer info).
-
Analoge ingangen: o AI1: temperatuursensor 1; o AI2: temperatuursensor 2; o AI3: temperatuursensor 3; o AI4: meting indrukking; o AI5: meting vermogen motor.
-
PWM-uitgangen: o PWM1: aansturen elektro-pneumatische drukregelaar; o PWM2: aansturen frequentiesturing.
Op twee digitale ingangen na zijn alle in- en uitgangen van de stuurkaart dus reeds in gebruik. Op Figuur 67 zijn deze vrije ingangen in het rood aangeduid. Deze beperkte beschikbaarheid van in- en uitgangen zorgt bij de aanpassing voor enkele problemen. Dit wordt in paragraaf 6.1.1.2 verder toegelicht.
80
6.1.1.2
Configuratie na aanpassing
Om de meting van de rolweerstand van het testwiel mogelijk te maken, zijn volgende extra in- en uitgangen nodig: -
2 analoge ingangen voor het inlezen van de signalen afkomstig van de weegcellen;
-
1 digitale uitgang voor het aansturen van de frequentieregelaar in de andere draairichting.
Zoals in 6.1.1.1 reeds vermeld, zijn er geen analoge ingangen op overschot. Om het inlezen van de signalen van de weegcellen mogelijk te maken, dienen dus enkele bestaande ingangen te worden opgeofferd. Na nazicht van de installatie blijkt dat er geen derde temperatuursensor geïnstalleerd is, ondanks het feit dat de software er op voorzien is om deze in te lezen en te verwerken. De functie van ingang AI3 kan worden gewijzigd van “inlezen temperatuursensor 3” naar “inlezen weegcel”. Na overleg met dhr. Maes wordt besloten om de vermogensmeting uit de sturing weg te halen. In het verleden zijn de nodige resultaten van deze metingen verzameld waardoor deze gegevens niet langer moeten worden uitgelezen. Hierdoor komt een tweede analoge ingang vrij en is het probleem opgelost. Voor het inlezen van de signalen van beide weegcellen is nu een ingang voorhanden. In de oorspronkelijke configuratie is voor het aansturen van de frequentieregelaar reeds één uitgang voorzien. Deze uitgang geeft het start-/stopsignaal voor de motor. De motor draait echter steeds in dezelfde richting. Voor het meten van de rolweerstand is het noodzakelijk dat de motor nu in beide richtingen kan aangestuurd worden. Daarvoor is een extra digitale uitgang nodig. Hierdoor stelt zich een nieuw probleem: er zijn namelijk geen digitale uitgangen meer beschikbaar. De in-/uitgangsmode van de digitale IO’s zijn te selecteren in groepen van vier. IO1 t.e.m. IO4 zijn ingesteld als ingang, IO5 t.e.m. IO8 als uitgang. De vrije IO3 en IO4 zijn dus ingangen en bijgevolg niet bruikbaar. Om dit probleem op te lossen, wordt de oorspronkelijke functie van IO7 opgeofferd. Deze uitgang stuurde in de originele configuratie steeds 5V naar buiten. Deze werd gebruikt voor het controlesignaal van IO1 en IO2. 81
De 5V die nodig is voor de beide controlesignalen zal voortaan geleverd worden door een tweede USB-kabel. Deze kabel zal enkel gebruikt worden voor de 5Vvoeding en niet om stuursignalen te zenden. Hierdoor komt IO7 vrij en kan deze gebruikt worden als start-/stopsignaal om de motor in de tegengestelde richting te laten draaien. De configuratie van de in- en uitgangen na de aanpassingen is grotendeels gelijklopend aan die van voor de aanpassingen. Volgende in- en uitgangen hebben een nieuwe functie: -
Digitale in-/uitgangen: o IO5: startsignaal frequentiesturing rechtsdraaiend; o IO7: startsignaal frequentiesturing linksdraaiend.
-
Analoge ingangen: o AI3: meting weegcel 1; o AI5: meting weegcel 2.
De functies van alle andere in- en uitgangen zijn dezelfde gebleven als in 6.1.1.1.
6.1.1.3
PWM-signalen
De stuurkaart beschikt over twee uitgangen die een PWM-signaal kunnen uitsturen. De amplitude van deze uitgangen bedraagt 5V. De gemiddelde uitgangsspanningen van de PWM-signalen kunnen worden geregeld door een aanpassing van de aan/uitverhouding, ook wel duty cycle genoemd. Zoals eerder aangehaald, zal het eerste PWM-signaal dienen voor het aansturen van de elektro-pneumatische drukregelaar. Door de gemiddelde uitgangsspanning te laten variëren tussen 0 en 5V, zal de luchtdruk naar de persluchtcilinders geregeld worden tussen 0 en 5 bar. Het verband tussen de stuurspanning en de luchtdruk is lineair. Het tweede PWM-signaal is verbonden met de frequentiesturing. Een variatie van de stuurspanning tussen 0 en 5V zal de omloopsnelheid van het loopwiel laten variëren tussen 12 en 120 km/h. Het verband tussen deze snelheid en de stuurspanning is eveneens lineair, net als het verband tussen de omloopsnelheid van het test- en 82
loopwiel en het motortoerental. De frequentiesturing houdt de verhouding tussen spanning en frequentie van de asynchrone motor constant.
6.1.2
Opampkaart
In de stuurkast bevindt zich een opampkaart die bij de bouw van de installatie zelf werd ineen geknutseld. Deze kaart bevat verschillende opampschakelingen met volgende functies: -
Schakelingen 1 t.e.m. 3 vormen de verbinding tussen het meetsignaal van de temperatuursensoren en de analoge ingangen van de stuurkaart. De sensoren vereisen een Minimum load impedance van 50 kΩ. De ingangsimpedantie van de analoge ingangen van de stuurkaart bedraagt slechts 30kΩ. Om dit op te lossen, is een opampschakeling als tussenschakel geplaatst.
-
Schakeling 4 zet het uitgangssignaal van de wegmeetsensor om naar een lager spanningsniveau. De wegmeetsensor meet de indrukking van het testwiel gedurende de test. Zijn uitgangsspanning varieert van 0 tot 10V. De spanning aan de analoge ingang van de stuurkaart mag variëren van 0 tot 5V. De vierde opampschakeling zal de spanningswaarde van de sensor dus halveren.
-
Schakeling 5 zet het uitgangssignaal van de frequentieregelaar om naar een spanningssignaal van 0 tot 5V voor de stuurkaart. Het uitgangssignaal van de frequentieregelaar is een maat voor het opgenomen motorvermogen.
-
Schakeling 6 zet het PWM-signaal van de stuurkaart om naar een constante DC-spanning tussen 0 en 5V voor de elektro-pneumatische drukregelaar. Dit gebeurt via een RC-schakeling gevolgd door een spanningsvolger.
-
Schakeling 7 zet eerst het tweede PWM-signaal om naar een constante gelijkspanning die gelijk is aan de gemiddelde spanning van het PWMsignaal. Ook hier via een RC-schakeling. Vervolgens wordt deze spanning verdubbeld a.d.h.v. een niet-inverterende operationele versterkerschakeling. De stuuringang van de frequentiesturing verwacht immers een DC-spanning tussen 0 en 10V, het dubbel van de maximale gemiddelde uitgangsspanning van het PWM-signaal.
83
Na de doorgevoerde aanpassingen zijn de schakelingen 1, 2, 4, 6 en 7 in dienst gebleven. De schakelingen 3 en 5 zijn niet langer operationeel door het wegvallen van de derde temperatuurmetingen en de vermogensmeting. Voor de behouden schakelingen werd echter wel een alternatief gezocht. Meer info hierover staat in paragraaf 6.1.8.
6.1.3
Relaiskaart
Oorspronkelijk was in de sturing een derde printplaat aanwezig. Ook deze was net als de opampkaart zelf ineen geknutseld bij de bouw van de testbank. De kaart bevatte de relais K3 en K4. Door de aanpassingen was een extra relais noodzakelijk. Bijgevolg is de relaiskaart uit de stuurkast verwijderd en vervangen door standaardcomponenten. Meer info hierover staat in hoofdstuk 6.1.7.
6.1.4
Wielbreukdetectie
Bij overbelasting van het testwiel kan zijn kunststofbekleding zo sterk opwarmen dat die op een gegeven moment explodeert. Dit gaat gepaard met het opspringen van het testwiel. Van zodra dit gebeurt, moet de test onmiddellijk worden stopgezet. Oorspronkelijk was hiervoor een mechanische schakelaar voorzien (Figuur 68). Bij het opspringen van de brug wordt deze schakelaar bediend (Figuur 69). Dit signaal legt vervolgens de testcyclus stil en brengt de opstelling in noodstopsituatie. In het verleden is meermaals gebleken dat dit detectiesysteem faalt. Verschillende malen werd de test niét stopgezet na het exploderen van de wielbekleding. Dit is toe te schrijven aan het feit dat de hoogtesprong van het wiel bij exploderen te klein is. Deze te kleine uitwijking zorgt ervoor dat de mechanische schakelaar niet wordt bediend en de test niet wordt onderbroken. Dit kan leiden tot schade aan de installatie wanneer de test wordt verdergezet met een kapot testwiel. Bijgevolg zal dit detectiesysteem worden vervangen. Dit staat verderop beschreven in paragraaf 6.2.2.1.
84
Figuur 68: Wielbreukdetectie
Figuur 68 toont de mechanische schakelaar met zwenkrol die oorspronkelijk instond voor de detectie van een wielbreuk. Hiervoor werd na het neerlaten van de brug een beugel gepositioneerd zodat het zwenkrolletje in de beugel kwam vast te zitten. Deze is bevestigd aan de brug. De beugel is te zien in Figuur 69. In beide figuren is de geelgekleurde wegmeetsensor zichtbaar die de indrukking van het wiel meet en voortaan instaat voor de wielbreukdetectie.
Figuur 69: Wielbreukdetectie met beugel
85
6.1.5 Om
Veiligheidsvoorzieningen
de
veiligheid
van
de
installatie
te
garanderen,
zijn
verschillende
veiligheidsvoorzieningen getroffen. Hierna volgt een opsomming van de getroffen maatregelen met een woordje uitleg. -
Rondom de testbank werd een omheining geplaatst die moet verhinderen dat iemand het toestel of de stuurkast kan aanraken tijdens zijn werking.
-
2-polige 6A type C automaat voor beveiliging van computer en stuurkring tegen kortsluiting en overstroom.
-
3-polige 40A type C automaat voor beveiliging van frequentiesturing en asynchrone motor.
-
Smeltzekeringen van 0,5A en 1A voor de lagere voedingsspanningen.
-
Een
noodstoprelais
dat
kan
aangesproken
worden
door
volgende
componenten: o Noodstop op stuurkast binnen de veiligheidskooi; o Noodstop buiten de veiligheidskooi; o Deurvergrendelingscontact: bij het openen van de deur van de veiligheidskooi, zal de installatie automatisch in noodstopsituatie gaan. o Drukschakelaar: in het pneumatisch circuit is een drukmeter opgenomen. Wanneer de persluchtdruk afkomstig van het voedingsnet daalt onder de 3 bar, zal de schakelaar het noodstoprelais aanspreken en gaat de installatie in noodstopsituatie. o Wielbreukdetectie: dit detectiesysteem, zoals beschreven in 6.1.4, kan de installatie in noodstopsituatie brengen. o Snelheidscontrolerelais: hierover staat verderop in dit hoofdstuk meer info. -
Vermogensrelais: dit relais onderbreekt de spanning naar de motor en de frequentiesturing wanneer de installatie in noodstopsituatie verkeert.
-
Deurvergrendelingscontact: wanneer de installatie in werking is, verhindert dit contact dat de deur van de veiligheidskooi kan worden geopend. Bijkomend kan de deur pas worden geopend wanneer de noodstop buiten de veiligheidskooi is ingedrukt en de sturing zich dus in noodstopsituatie bevindt. Op het einde van een test lopen het loop- en testwiel nog even uit 86
vooraleer tot stilstand te komen. Om te verzekeren dat beide wielen tot stilstand zijn gekomen vooraleer de deur kan worden geopend, is een timer voorzien die de deur nog enige tijd vergrendeld houdt na het aflopen van een test. -
Softwarematige veiligheidsvoorzieningen: o Controlesignaal IO1: wanneer het noodstoprelais de installatie in noodstop brengt, zal het stuurprogramma dit detecteren en de test onmiddellijk stopzetten. Er worden niet langer signalen uitgestuurd naar de stuurkaart. Op het computerscherm wordt aangegeven dat de machine in noodstop is gegaan. o Controlesignaal IO2: wanneer de verbinding tussen de computer en de stuurkaart niet goed is, zal de software dit detecteren. Dit kan bijvoorbeeld door een loszittende USB-connectie. Het stuurprogramma zal de test onmiddellijk stopzetten en dit weergeven op het computerscherm. o Temperatuurbegrenzing: de gebruiker kan bij de test een maximale wieltemperatuur meegeven aan het programma. Wanneer tijdens de testcycli één van de temperatuursensoren een waarde detecteert die boven deze temperatuur ligt, dan zal de test onmiddellijk worden stopgezet. Om oververhitting van het testwiel te voorkomen. o Onvermogen tot starten: wanneer de controlesignalen IO1 en IO2 niet beiden voldoen, zal het voor de gebruiker onmogelijk zijn de test te starten. De “start-button” is niet aanklikbaar.
-
Snelheidscontrolerelais: IO8 van de stuurkaart zendt een impulstrein naar buiten. Dit betekent dat zijn uitgang elke seconde verandert van hoog naar laag of omgekeerd. Het snelheidscontrolerelais controleert de regelmaat van deze impulstrein. Wanneer de computer of het stuurprogramma vastloopt, zal de impulstrein eveneens blijven hangen. Het controlerelais detecteert dit en brengt de installatie onmiddellijk in noodstopsituatie door het aanspreken van het noodstoprelais.
87
6.1.6
Weegcellen
De meest cruciale onderdelen voor de rolweerstandsmeting zijn ongetwijfeld de weegcellen. Deze meten de kracht die op hen inwerkt en zetten die om naar een spanningssignaal. Zoals reeds in de sterkteberekeningen is aangehaald, wordt uitgegaan van een maximale rolweerstandskracht van 10% van de inwerkende normaalkracht. De maximale normaalkracht die de installatie kan leveren, bedraagt 30kN. 10% 𝐿2
hiervan is dan 3kN. De hefboomsarmverhouding 𝐿1, zoals weergegeven in Figuur 49, is net iets kleiner dan 3. Dit betekent dat de weegcellen een maximale kracht van 9kN (3 x 3kN) moeten kunnen meten. Deze maximale meetkracht vormt een eerste selectiefactor bij de keuze van een weegcel. Een tweede belangrijke factor bij de selectie is de meetnauwkeurigheid. Het bedrijf wenst een maximale meetafwijking van 5%. Naast de maximale belasting en meetnauwkeurigheid speelt ook de monteerbaarheid van de weegcellen een belangrijke rol bij de selectie. Er wordt bij verschillende fabrikanten van weegcellen gezocht en uiteindelijk wordt voor volgend model gekozen: Merk: Futek Model: LLB400 Item n°: FSH00879 Deze weegcel heeft een meetbereik van 0 tot 2500lb (= 11121N). De maximale meetkracht is dus voldoende groot. De hysteresis en niet-lineariteit van het uitgangssignaal bedraagt volgens de fabrikant maximaal +/- 0,5%. Dit is ruim minder dan de maximaal toegelaten 5%. De gekozen weegcel kan tot slot eenvoudig worden gemonteerd. Hiervoor zijn drie schroefdraadboringen voorzien. Hiermee voldoet de gekozen weegcel aan de drie vooropgestelde selectiecriteria.
88
Zoals uit de datasheet blijkt, is het uitgangssignaal van de weegcel een spanningssignaal die 2,5mV/V nom. bedraagt. De grootte van het uitgangssignaal kan door onderstaande formule worden voorgesteld.
𝑉𝑜𝑢𝑡 =
𝐹𝑚𝑒𝑒𝑡 𝑉𝑖𝑛 ∗ 2,5 ∗ 𝐹𝑚𝑎𝑥 1000
Waarbij: Vout = uitgangsspanning [V] Vin = voedingsspanning [V] Fmeet = gemeten drukkracht [N] Fmax = maximum meetbare kracht [N] Voorbeeld: Wanneer de maximale voedingspanning wordt aangelegd (18VDC) en de weegcel wordt belast met 11121N (dit is de maximum meetbare kracht), dan bedraagt de uitgangsspanning: 11121 18𝑉 𝑉𝑜𝑢𝑡 = ∗ 2,5 ∗ = 0,045 𝑉 = 45 𝑚𝑉 11121 1000 Om
een
maximale
meetnauwkeurigheid
te
bekomen
zal
de
maximale
voedingsspanning aan de weegcellen worden aangelegd. Deze bedraagt 18VDC.
Figuur 70: weegcel Futek LLB400 (Futek)
89
6.1.7
Nieuwe componenten
Naast de weegcellen, die hiervoor werden besproken, zitten in de sturing nog een aantal andere nieuwe componenten. Deze zijn: -
Regelbare voedingsmodule: om de weegcellen te kunnen voeden met 18VDC, is een nieuwe voedingsmodule nodig. In de stuurkast is oorspronkelijk enkel 24VDC voorhanden. Via de regelbare voedingsmodule type “VM124” van Velleman,
wordt
deze
24VDC
omgezet
naar
18VDC.
Deze
spanningsomzetting dient zelf te worden afgeregeld via een potentiometer. -
Spanningsomvormers: de maximale uitgangsspanning van de weegcellen bedraagt 45mV (2,5mV/Vnom. X 18Vnom = 45mV). De analoge 10 bitingangen van de stuurkaart verwachtten een ingangsspanning van maximaal 5V. Om een maximale uitleesnauwkeurigheid te bereiken, dient het spanningssignaal van de weegcellen dus te worden versterkt. Dit gebeurt aan de hand van twee spanningsomvormers. Eén voor elke weegcel. Er wordt gekozen voor het type “MACX MCR-UI-UI-NC” van het merk “Phoenix Contact”.
Deze
veelzijdige
spanningsomvormers
versterken
het
spanningssignaal met een maximale afwijking van 0,1%. -
Relais: zoals in hoofdstuk 6.1.3 reeds werd aangehaald, is in de vernieuwde sturing de oude relaiskaart verwijderd. De relais K3, K4 en K5 zijn in de nieuwe sturing uitgevoerd in standaardcomponenten. Dit maakt een snelle reparatie van de sturing mogelijk indien een van deze componenten stuk zou gaan. Bij de zelfgemaakte relaiskaart is een snelle herstelling minder vanzelfsprekend.
6.1.8
Niet-doorgevoerde vernieuwingen
Bij het bestuderen van de nodige aanpassingen aan de sturing werden ook enkele aanpassingen uiteindelijk niet doorgevoerd. Volgende veranderingen werden voorgesteld: -
Schakelingen 1, 2 en 4 van de opampkaart vervangen door dezelfde spanningsomvormers als diegene die gebruikt worden voor de weegcellen. 90
-
Schakelingen 6 en 7 van de opampkaart vervangen door PWM-omvormers. Geschikte componenten hiervoor zijn de ‘AX130202’ en ‘AX130203’ PWM to current (or voltage) signal converter van de fabrikant “Axiomatic”.
Indien beide veranderingen worden doorgevoerd, kan de opampkaart uit de stuurkast worden verwijderd. Bijgevolg zou de volledige sturing zijn opgebouwd uit standaardcomponenten. Dit maakt een snelle herstelling mogelijk bij defect van een van de componenten. Omwille van de te hoge kostprijs van de spanningsomvormers en PWM-signaalconvertoren is besloten om deze niet aan te kopen. De bestaande opampkaart blijft behouden. Mocht men in de toekomst alsnog de sturing willen standaardiseren, dan kan dit nog altijd probleemloos gebeuren.
6.1.9
Elektrische schema’s
De elektrische schema’s van de sturing zijn aangepast op basis van de doorgevoerde wijzigingen. Hiervoor is vertrokken van de bestaande schema’s. Deze waren echter niet volledig. De ontbrekende stukken zijn evenals de aanpassingen ingevoegd. De schema’s zijn getekend met het programma “Solid Edge ST7” en zijn opgenomen in de bijlagen (Bijlage A). Volgende zaken zijn in de schema’s terug te vinden: -
Blad 1: voedingsschema verschillende voedingsspanningen + voeding van frequentiesturing en motor;
-
Blad 2: stuurschema van alle componenten op 24VDC;
-
Blad 3: stuurschema van componenten op 5VDC en 18VDC. + noodstopkring en beveiligingskring toegangsdeur;
-
Blad 4: aansluitingen stuurkaart en frequentiesturing;
-
Blad 5: aansluitingen opampkaart.
91
6.2
Software
Zoals in paragraaf 3.2.5.2 reeds is toegelicht, wordt de sturing van de installatie aangestuurd met een computer. Op die computer bevindt zich een programma die zelf is geschreven in de programmeertaal ‘Visual Basic’. De opgesomde aanpassingen uit hoofdstuk 4.2 vereisen een wijziging van dit programma. Zowel de grafische interface, ook wel het controlepaneel genoemd, als de stuurcode zijn aangepast naar de wensen van Vulkoprin. Deze aanpassingen zijn uitgevoerd met het programma “Microsoft Visual Basic 2008 Express Edition” en staan in dit hoofdstuk beschreven. Daarnaast volgt een beschrijving van de opbouw van het invoer- en uitvoerbestand die door de software worden gebruikt. De bestanden van deze software zijn terug te vinden op de cd-rom.
92
6.2.1
Vernieuwde grafische interface
De aanpassingen aan de sturing vragen ook om een aangepaste grafische interface. In paragraaf 3.2.5.2 is de oorspronkelijke interface afgebeeld in Figuur 26. Verder worden in dat hoofdstuk de verschillende onderdelen van deze interface toegelicht. De doorgevoerde aanpassingen hebben heel wat extra zaken toegevoegd aan het controlepaneel. Figuur 71 toont het eindresultaat van deze aanpassingen. De verschillende onderdelen zijn genummerd en worden op de volgende bladzijden toegelicht. De nieuwe of aangepaste onderdelen zijn met een * aangeduid in de uitleg.
Figuur 71: Vernieuwde interface computer
93
1. Via de knop “Inlezen data” selecteert de gebruiker het gegevensbestand met de parameters voor de test. Het geselecteerde bestand wordt vervolgens weergegeven in het bijhorende kader onder “Bestand”. Van zodra een bestand succesvol is ingelezen, verdwijnt het uitroeptekenicoon naast “Inlezen data”. 2. Bij
“aantal
cycli”
kan
de
gebruiker
ingeven
hoeveel
testcycli
hij
achtereenvolgens wil uitvoeren. 3. Als de computer een verbinding met de stuurkaart detecteert, zal een groen vinkicoontje oplichten in plaats van het rode uitroeptekenicoontje. 4. Als het noodstopcircuit van de machine correct is gereset, zal hier eveneens een groene vink oplichten. Vanaf dan is de machine klaar om gestart te worden. 5. Hier kan een test vroegtijdig worden afgebroken met een klik op “Cyclus stop”. De testcycli kan worden gestart met een klik op “Cyclus aan”. Deze laatste zal enkel aanklikbaar zijn wanneer aan de voorwaarden van onderdelen 3 en 4 is voldaan, namelijk link met stuurkaart aanwezig en noodstopsituatie afwezig. 6. Gedurende de test zal dit uitroepteken vervangen worden door een groene vink. 7. * Programmaparameters. Deze zijn uitgebreid en aangepast t.o.v. de originele interface: o Cyclusnummer: geeft weer hoever de test is gevorderd in de vorm “A / B”. Dit betekent dat de installatie bezig is aan cyclus nummer A van de in totaal B te doorlopen cycli. o Lijn nummer: geeft weer hoever de test is gevorderd binnenin de huidige cyclus. Dit onder de vorm “C / D”. Dit betekent dat de installatie bezig is aan parameterlijn nummer C van de in totaal D parameterlijnen van het ingelezen bestand. o Resterende tijd [s]: toont hoeveel seconden de huidige parameterlijn nog wordt uitgevoerd. o Totale afstand [m]: geeft weer hoeveel meter het testwiel heeft gereden sinds de start van de testcycli. Deze waarde wordt gereset bij de start van elke nieuwe test.
94
o Tijd [s], kracht [N], snelheid [km/h]: geven de parameters weer van de parameterlijn uit het ingelezen bestand die de test op dat moment doorloopt. 8. * Metingen. Volgende meetwaarden worden hier weergegeven: o Sensor 1 [°C], Sensor 2 [°C]: deze geven de actuele meetwaarden weer van de twee temperatuursensoren. De uitlezing van de optionele derde temperatuursensor is weggelaten t.o.v. het originele controlepaneel. o Krachtsensor R [N], Krachtsensor L [N]: deze geven de actuele meetwaarden
weer
van
de
respectievelijk
rechtse
en
linkse
krachtsensor. De meetwaarden van deze krachtsensoren bij het starten van een test worden als nulpunt beschouwd voor die test. De weergegeven
waarden
tijdens
de
test
zijn
dus
de
relatieve
meetwaarden t.o.v. dat nulpunt. o Indrukking [mm]: deze waarde toont de actuele indrukking van het testwiel. Deze wordt gemeten door een wegmeetsensor en berekend t.o.v. de meetwaarde bij aanvang van de test. 9. * Beveiligingsparameters. De gebruiker kan hier vóór het starten van een test de maximaal toegelaten temperatuur en indrukking van het testwiel ingeven. Wanneer tijdens de test één van de sensoren een overschrijding van deze maximumwaarden registreert, treedt de installatie in noodstopsituatie. Vervolgens zal een rood uitroeptekenicoontje oplichten naast de overschreden parameter. Deze stellen de gebruiker in staat om de reden van de noodstop te achterhalen. De gebruiker dient het opgelichte icoontje aan te klikken om de noodstopsituatie op te heffen vooraleer hij de installatie kan resetten om een nieuwe test te kunnen starten. Bij normale werking zijn deze icoontjes niet zichtbaar. 10. * Beveiliging tegen overbelasting krachtsensoren: Wanneer de krachtsensoren een waarde registreren die hoger is dan 90% van hun maximale belasting zal de installatie in noodstopsituatie treden. Deze veiligheid is ingebouwd om de krachtsensoren tegen overbelasting te beschermen bij een eventuele breuk in de installatie. Het optreden van deze noodstopsituatie wordt weergegeven met een rood uitroeptekenicoontje naast de meetwaardes van deze sensoren. Ook hier dient de gebruiker het opgelichte icoontje aan te klikken vooraleer de 95
installatie kan worden gereset voor het starten van een nieuwe test. Dit icoontje is eveneens niet zichtbaar bij normale werking van de installatie. 11. Hier geeft de gebruiker vóór het starten van de test in hoelang de waardes van de sensoren nog moeten worden geregistreerd na het beëindigen van de testcycli. 12. * Voortaan kan de gebruiker zélf de naam van het txt.-bestand ingeven waarin de meetwaarden van de sensoren worden weggeschreven. Dit bestand wordt opgeslagen in dezelfde map van het ingelezen bestand met de testparameters. 13. De ingelezen gegevens uit het gegevensbestand worden hier weergegeven. 14. * Deze grafiek toont de gemeten waardes van de temperatuursensoren vanaf de aanvang van de test en dit voor de laatste vijftien minuten. Beide metingen staan op eenzelfde grafiek. De grafiek wordt na iedere minuut geüpdatet. Het interval tussen twee weergegeven meetpunten bedraagt één minuut. De schaal van de Y-as wordt automatisch aangepast op basis van de weergegeven meetwaarden.
96
6.2.2
Aangepaste stuurcode
Op de hiernavolgende bladzijden zijn enkele stukken uit de stuurcode afgebeeld. Het betreft programmeercode die aan het bestaande programma is toegevoegd. De volledige stuurcode is terug te vinden op de cd-rom.
6.2.2.1
Wielbreukdetectie
Zoals eerder in paragraaf 6.1.4 is vermeld, is een nieuw wielbreukdetectiesysteem ingevoegd. Voortaan zal het opspringen van het testwiel niet langer gedetecteerd worden door een mechanische schakelaar. Vanaf heden zal de software die de testbank aanstuurt deze detectie op zich nemen. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van de wegmeetsensor die reeds aanwezig was om de indrukking van het testwiel te registeren. Zoals in paragraaf 6.2.1 al staat vermeld, kan de gebruiker voortaan een maximale indrukking van het testwiel aan het stuurprogramma meegeven. Wanneer deze tijdens de test een verplaatsing van de brug detecteert die groter is dan deze ingevoerde maximumwaarde, zal de machine in noodstoptoestand gaan. In noodstoptoestand gaan, betekent dat de test wordt stopgezet en het bijhorende rode uitroepingsteken zichtbaar wordt. Figuur 72 toont het stukje code dat hiervoor instaat. Aan “maxind” wordt bij het starten van de test de waarde toegekend die is ingegeven bij “Max. toegelaten indruk [mm]”. Aan “indnul” wordt bij het starten van een test de startwaarde van de wegmeetsensor toegekend. Zo wordt steeds de indrukking bepaald ten opzichte van de beginsituatie.
Figuur 72: programmeercode wielbreukdetectie
97
6.2.2.2
Noodstopvisualisatie en vrijgave
Het optreden van de noodstopsituatie kan omwille van verscheidene redenen: -
Meettemperatuur wordt hoger dan de maximum toegelaten temperatuur;
-
Indrukking/opspringen van het testwiel groter dan maximum toegelaten indrukking;
-
Krachtsensoren belast met meer dan 90% van hun maximale belasting;
-
Connectie tussen computer en stuurkaart verbroken;
-
Noodstop is ingedrukt.
De eerste drie situaties treden op wanneer een sensor een te grote meetwaarde registreert. De code die de noodstopsituatie dan oproept, is voor elk van deze drie analoog aan die uit Figuur 72. In alle drie deze gevallen zal een rood uitroeptekenicoontje op het scherm de reden van noodstop weergeven. In het geval van het verlies van de connectie tussen de stuurkaart en de computer zal dit eveneens zichtbaar zijn op het controlepaneel door middel van een rood uitroeptekenicoontje bij nummer 3 op Figuur 71. Wanneer de noodstopsituatie van kracht is door het indrukken van één van de noodstoppen dan zal de reden van noodstop niét zichtbaar zijn op het controlepaneel. Echter weet de gebruiker zelf wanneer hij de noodstop heeft bediend en is een visualisatie van de reden tot noodstop niet nodig. Zoals net is vermeld, zal een rood uitroeptekenicoontje op het scherm verschijnen wanneer omwille van één van de eerste drie situaties de noodstopwerking van kracht is geworden. Deze icoontjes zijn aanklikbaar om de noodstopsituatie terug op te heffen. De code in Figuur 73 zal bij het aanklikken van het icoontje de noodstopsituatie ontkrachten en het icoontje terug onzichtbaar maken. Hierna kan de machine terug worden gereset en gestart.
Figuur 73: programmeercode noodstopvrijgave
98
6.2.2.3 Voortaan
Dynamische grafiek bevat
het
controlepaneel
ook
een
dynamische
grafiek
die
de
meettemperaturen van de afgelopen vijftien minuten weergeeft. De grafieken beginnen gegevens weer te geven van zodra een test wordt gestart. Wanneer de test is beëindigd, blijft de grafiek de meetwaarden van de laatste vijftien minuten van de test tonen. Bij het starten van een volgende test wordt de grafiek opnieuw gereset. Figuur 74 toont de programmeercode die bij het starten van een test alle waarden van de grafiek op nul zet en hoe de temperaturen van bij de start als eerste waarden naar de grafiek worden weggeschreven.
Figuur 74: programmeercode dynamische grafiek 1
Eveneens wordt bij het starten de totaal verstreken tijd (tottijd) terug op nul gezet.
99
Van zodra een test begint te lopen, zal de waarde van de totaal verstreken tijd (tottijd) elke seconde met één worden verhoogd. Deze teller wordt gebruikt om de dynamische grafiek elke minuut te updaten. Figuur 75 toont hoe dit gebeurt. Van zodra de totaal verstreken tijd in seconden een geheel veelvoud is van zestig, zal de grafieken worden aangepast. Hiervoor wordt “tottijd” gedeeld door zestig. Wanneer de rest na deling gelijk is aan nul, worden de grafiekwaarden een plaats opgeschoven en worden de huidige meetwaarden vooraan ingevoegd.
Figuur 75: programmeercode dynamische grafiek 2
De schaal van de grafiek wordt steeds aangepast aan de grootste meetwaarde die moet worden weergegeven.
100
6.2.3
Invoerbestand
Dit gegevensbestand wordt door het programma ingelezen en bevat de verschillende testparameters. Het bestand is van het type .txt. Alle lege lijnen of lijnen die beginnen met een weglatingsteken worden door de software beschouwd als commentaarlijnen en bijgevolg genegeerd. Figuur 76 toont een voorbeeld van een invoerbestand. De eerste lijnen zijn commentaarlijnen die beschrijven hoe het bestand moet worden opgebouwd.
Figuur 76: Invoerbestand software
Doordat het loopwiel voortaan in beide richtingen moet kunnen draaien, moet de gebruiker de draairichting ook in het invoerbestand kunnen meegeven. Dit kan eenvoudigweg door het teken van de snelheidswaarde aan te passen. Een positieve snelheid zal het loopwiel rechts doen draaien, een negatieve snelheid laat het wiel links draaien.
101
6.2.4
Uitvoerbestand
De meetwaarden van de sensoren worden tijdens de test weggeschreven in een tekstbestand. Na het einde van de test worden de meetwaarden nog gedurende een door de gebruiker ingevoerde tijd verder weggeschreven in datzelfde bestand. Zoals in 6.2.1 reeds vermeldt, kan de gebruiker voortaan zelf de naam van dit uitvoerbestand kiezen. Voorheen werd voor de naam van dit bestand de naam van het invoerbestand gekozen, gevolgd door de datum waarop de test werd uitgevoerd. Het bestand wordt opgeslagen in dezelfde map als die van het invoerbestand. Wanneer meerdere tests worden gestart waarbij dezelfde naam voor het uitvoerbestand wordt gekozen, leidt dit niet tot het verlies van de eerdere gegevens. Het programma zal de nieuwe meetwaardes achteraan het bestaande bestand toevoegen waardoor de resultaten van de voorgaande test(s) beschikbaar blijven. Het uitvoerbestand bevat op elke regel zeven getalwaarden. Elke seconde worden de actuele meetwaarden naar dit bestand weggeschreven. De zeven getalwaarden zijn achtereenvolgens: -
Meting temperatuursensor 1 [°C];
-
Meting temperatuursensor 2 [°C];
-
Meting indrukking testwiel [mm];
-
Meting krachtsensor R [N];
-
Meting krachtsensor L [N];
-
Belastingkracht uit invoerbestand [N];
-
Snelheid uit invoerbestand [km/h].
Dit tekstbestand kan vervolgens worden ingelezen in Excel om de gewenste grafieken op te stellen. Figuur 77 toont een uittreksel uit een uitvoerbestand. De zeven getalwaarden zijn telkens gescheiden door een puntkomma “ ; “.
102
Figuur 77: Uittreksel uit uitvoerbestand
103
7
Verwerking meetresultaten
Het verwerken van de meetresultaten die afkomstig zijn uit een wieltest gebeurt via welbepaalde formules. Hierna volgt een theoretische uiteenzetting van de testopstelling om deze formules te staven. Aan de hand van een ijkingsproef is bewezen dat deze formules geldig zijn in de ontworpen testopstelling.
7.1
Theoretische beschouwing
7.1.1
Momentenevenwicht bij stilstand
Wanneer het testwiel stilstaat en de wielbelasting reeds op het wiel inwerkt, zullen de beide weegcellen al een kracht registreren. Deze krachten zijn afkomstig van de (ongelijke) voorspanning waarmee de bouten zijn aangedraaid tot tegen de weegcellen. (Figuur 63) Daarnaast zal een minimale fout in de uitlijning, in combinatie met de indrukking van het wiel, ervoor zorgen dat de reactiekracht (FR) zich niet perfect onder het scharnierpunt bevindt, maar op een afstand e. (zie Figuur 78) Deze reactiekracht zal samen met de ongelijke voorspanning in de beide bouten een momentenevenwicht veroorzaken rond het scharnierpunt van het wielvork.
104
Figuur 78: Momentenevenwicht bij stilstand
Figuur 78 toont de situatie bij stilstand. De linker weegcel registreert een kracht L die inwerkt op een afstand x van het scharnier, en dus een moment ML0 creëert. De rechter weegcel registreert een kracht R die een moment MR0 veroorzaakt, eveneens op afstand x. De afstand x is gelijk aan de afstand L1 uit Figuur 49. Zoals reeds vermeld, zijn deze krachten en bijgevolg hun opgewekte momenten niet gelijk. Uitgaande van een momentenevenwicht, wordt het “restmoment” MVS voorgesteld door volgende formule: 𝑀𝑉𝑆 = 𝑀𝐿0 − 𝑀𝑅0 Dit restmoment is afkomstig van de reactiekracht FR die op een loodrechte afstand e van het scharnierpunt ingrijpt. Deze zal bij de rolweerstandsmetingen als correctiefactor worden gebruikt om de uitlijningsfout en de ongelijke voorspanning van de bouten te compenseren. De constructie zal namelijk niet wijzigen tussen het bepalen van deze correctiefactor en het uitvoeren van de metingen in beide draairichtingen van het testwiel. Dit restmoment blijft dus tijdens de metingen aanwezig in de constructie. 105
7.1.2
Momentenevenwicht bij positieve draaizin
Een eerste meting wordt uitgevoerd waarbij het loopwiel in wijzerzin draait. Het testwiel draait bijgevolg in tegenwijzerzin en de optredende rolweerstandskracht (FROL) veroorzaakt een positief moment M+ rond het scharnierpunt van het wielvork. Ten opzichte van de situatie bij stilstand is het enkel deze rolweerstandskracht die extra optreedt in de constructie. De wielbelasting blijft gelijk.
Figuur 79: Momentenevenwicht bij positieve draaizin
Figuur 79 toont de optredende krachten en momenten in deze situatie. Door het moment M+ die optreedt ten gevolge van de rolweerstandskracht, zal de kracht L verminderen ten opzichte van de situatie bij stilstand. De kracht R zal groter worden. Het restmoment MVS, die bepaald is bij stilstand en afkomstig is van de uitlijningsfout, wordt in rekening gebracht. Op basis van de regel van het momentenevenwicht kan het rolweerstandsmoment M+ dan als volgt worden uitgedrukt: 𝑀+ = 𝑀𝑅 − 𝑀𝐿 − 𝑀𝑉𝑆
106
7.1.3
Momentenevenwicht bij negatieve draaizin
In de tweede meting die wordt uitgevoerd, heeft het loopwiel een negatieve draaizin. Bijgevolg treedt een rolweerstandskracht (FROL) op die een negatief moment Mcreëert rond het scharnierpunt. Met negatief moment wordt bedoeld dat het moment optreedt in wijzerzin. Door deze voorstelling blijft de waarde van M- positief.
Figuur 80: Momentenevenwicht bij negatieve draaizin
Figuur 80 stelt de situatie bij deze tweede meting voor. In tegenstelling tot bij de eerste meting zal hier de kracht L’ verhogen ten opzichte van de situatie bij stilstand. De kracht R’ zal kleiner zijn. Dit is ten gevolge van de rolweerstandskracht die nu in de andere richting optreedt en een moment M- veroorzaakt. Dit moment wordt door onderstaande formule beschreven. Hierbij is opnieuw het restmoment M VS in rekening gebracht in het momentenevenwicht: 𝑀− = 𝑀𝐿 ′ − 𝑀𝑅 ′ + 𝑀𝑉𝑆
107
7.1.4
Uitmiddeling rolweerstandsmoment
De rolweerstandsmomenten die in beide draairichtingen zijn bepaald, kunnen nu worden uitgemiddeld om zo een correctere waarde voor het rolweerstandsmoment te bekomen. Zoals in de literatuurstudie bij 2.2.3 is vermeld, zal deze uitmiddeling de uitlijnings- en andere fouten in de constructie wegwerken of minimaliseren. De waarde voor het rolweerstandsmoment wordt via onderstaande uitdrukking bekomen: 𝑀𝑅𝑜𝑙 =
𝑀+ + 𝑀− 𝑀𝑅 − 𝑀𝐿 − 𝑀𝑉𝑆 + 𝑀𝐿′ − 𝑀𝑅′ + 𝑀𝑉𝑆 𝑀𝑅 − 𝑀𝐿 + 𝑀𝐿′ − 𝑀𝑅′ = = 2 2 2
Hieruit blijkt dat het restmoment MVS geen invloed heeft op de bepaling van het rolweerstandsmoment. De ongelijke voorspanning en de minimale asymmetrie kan dus daadwerkelijk worden opgeheven door de meting in beide draairichtingen uit te voeren. Hiermee is bevestigd wat eerder in de literatuur is gevonden.
7.1.5
Omzetting naar rolweerstandskracht
Het rolweerstandsmoment MRol kan vervolgens worden omgezet tot een rolweerstandskracht FRol. Deze kracht grijpt op het wielvork in ter hoogte van de wielas. Indien de afstand tussen deze wielas en de scharnieras gelijk is aan L2 (Figuur 49), dan wordt FRol als volgt beschreven: 𝐹𝑅𝑜𝑙 =
𝑀𝑅𝑜𝑙 𝐿2
108
7.2
Meetwaarden software
De software die de opstelling aanstuurt en de meetresultaten verwerkt, verrekent de meetwaarden van de weegcellen vooraleer deze op het scherm worden getoond. De krachten die de weegcellen registreren is 2,884 keer groter dan deze die op de interface
(Figuur
71)
hefboomsarmverhouding
𝐿2 𝐿1
worden
weergegeven.
Deze
2,884
is
de
vanop Figuur 49. Doordat de software deze verhouding
reeds in rekening brengt, hoeft de gebruiker dit niet meer te doen bij het verwerken van de meetresultaten. De waarden die op het scherm worden weergegeven en worden weggeschreven naar het uitvoerbestand zijn bijgevolg rechtstreeks bruikbaar voor het bepalen van de rolweerstandskracht.
7.2.1
Krachten omzetten naar momenten
De afstand van de krachten L en R ten opzichte van het scharnierpunt is theoretisch gezien gelijk. Indien in de praktische opstelling hierop een afwijking bestaat, zal deze worden uitgemiddeld doordat de metingen in beide draaizinnen gebeuren. Om de krachten L, R, L’ en R’ om te zetten naar hun overeenkomstige momenten M L, MR, ML’ en MR’ wordt volgende veronderstelling gemaakt: afstand x = 1m (x = L1). waardoor: ML = L;
MR = R;
ML’ = L’;
MR’ = R’
7.2.2
Rolweerstandskracht
Doordat de software de hefboomsarmverhouding gebracht,
wordt
eveneens
gesteld
dat
L2
=
𝐿2 𝐿1
1m.
reeds in rekening heeft De
formule
voor
de
rolweerstandskracht herleidt zich hierdoor tot: 𝐹𝑅𝑜𝑙 =
𝑅 − 𝐿 + 𝐿′ − 𝑅 ′ 2
109
Hierbij zijn: -
R = meetwaarde rechtse weegcel bij positieve draaizin van het loopwiel [N];
-
L = meetwaarde linkse weegcel bij positieve draaizin van het loopwiel [N];
-
R’ = meetwaarde rechtse weegcel bij negatieve draaizin van het loopwiel [N];
-
L’ = meetwaarde linkse weegcel bij negatieve draaizin van het loopwiel [N].
7.2.3
Nullen van de weegcellen bij starten test
Bij het starten van een nieuwe test worden de waarden die de weegcellen dan registreren als nulpunt beschouwd voor het verdere verloop van de test. Dit betekent dat de meetwaarden die op de interface worden weergegeven en in het uitvoerbestand worden weggeschreven geen absolute waarden zijn. Hiermee verdwijnen de waarden van de voorspanningskrachten (RV en LV) van beide bouten op de weegcellen uit de meetresultaten. Op die manier zijn de uitgelezen krachten enkel afkomstig van de krachten die extra optreden tijdens de test. Dit nullen heeft echter geen invloed op het bepalen van de rolweerstandskracht. Bewijs: -
Absolute kracht = relatieve kracht t.o.v. nulpunt meting + voorspanningskracht (= nulpunt meting).
-
RA = R + R V
-
R’A = R’ + RV
-
LA = L + LV
-
L’A = L’ + LV
𝐹𝑅𝑜𝑙 =
𝑅𝐴 − 𝐿𝐴 + 𝐿′𝐴 − 𝑅′𝐴 (𝑅 + 𝑅𝑉 ) − (𝐿 + 𝐿𝑉 ) + (𝐿′ + 𝐿𝑉 ) − (𝑅′ + 𝑅𝑉 ) = 2 2
⇒ 𝐹𝑅𝑜𝑙 =
𝑅 − 𝐿 + 𝐿′ − 𝑅 ′ 2
De waarden van de voorspanningskrachten worden door de uitmiddeling weggewerkt. Het nullen bij aanvang van de test heeft bijgevolg géén invloed op het bepalen van de rolweerstandskracht. 110
7.3
Opbouw testcyclus
Om de rolweerstandskracht van een wiel te bepalen bij een belastingkracht x en een snelheid y, wordt het invoerbestand best als volgt opgebouwd: -
30; x; 0
-
15; 0; y
-
120; x; y
-
15; x; 0
-
15; 0 ; -y
-
120; x; -y
-
15; x; 0
De eerste lijn belast het wiel bij stilstand gedurende 30 seconden. De laatste 20 meetseconden van deze lijn kunnen worden gebruikt voor het bepalen van het restmoment MVS. De tweede lijn brengt het wiel op snelheid. Dit gebeurt onbelast om het benodigde motorvermogen te beperken. De derde lijn belast het wiel op de gewenste snelheid. De eerste 20 meetseconden van deze lijn worden best niet gebruikt omdat het wiel een snelheidsdip zal hebben door de optredende belasting. Na 20 seconden heeft de motor het wiel zeker terug op de gewenste snelheid kunnen brengen. De overige 100 meetseconden van deze lijn worden gebruikt om de krachten R en L te bepalen. Voor beide gebeurt dit door het gemiddelde te nemen van de meetwaarden van die 100 seconden. De vierde lijn laat het wiel tot stilstand komen. Om dit snel te laten gebeuren, blijft de belastingkracht behouden. De vijfde en zesde lijn zijn analoog aan de tweede en derde lijn. Hierbij draait het loopwiel echter in de tegengestelde richting (minteken bij snelheid). De krachten R’ en L’ kunnen hier worden bepaald. De laatste regel brengt het wiel op het einde van de test tot stilstand. Om nauwkeurigere metingen uit te voeren, kan de tijd van 120 seconden uit de lijnen drie en zes worden verhoogd. Dit levert meer metingen op voor het uitmiddelen van de krachten R, L, R’ en L’. Meer info omtrent het invoerbestand is terug te vinden in paragraaf 6.2.3. 111
Om de temperatuurafhankelijkheid die in paragraaf 2.3.4.2.1 naar boven kwam uit te sluiten, is het best om het wiel gedurende een langere tijd reeds te laten draaien aan zijn nominale snelheid vooraleer de rolweerstandsmetingen te starten. Samen met een opgelegde belasting die aanvaardbaar is voor het wiel. Hierdoor kan het wiel opwarmen tot zijn werkingstemperatuur. Dit zorgt ervoor dat de temperatuur van het wiel tijdens de rolweerstandsmetingen niet sterk meer zal variëren. De temperatuurinvloed op de metingen blijft hierdoor beperkt.
112
8
Metingen
Met behulp van de aangepaste wielentestbank, zijn de eerste rolweerstandsmetingen uitgevoerd. Twee verschillende Vulkoprinwielen zijn hierbij getest. Het eerste wiel is bekleed met polyurethaan (PUR), type VKLA2000504713. Het tweede wiel, type ACL200X50, is bekleed met een soort rubber. Beide wielen hebben een buitendiameter van 200mm en een breedte van 50mm. Dit maakt een betere vergelijking tussen beiden mogelijk aangezien de wielgeometrie een bepalende factor is voor de rolweerstand. De rijsnelheid van het wiel is bij alle testen gelijk aan 12 kilometer per uur. Tabel 2 en Tabel 3 tonen de meetresultaten van deze testen. De tweede kolom bevat de rolweerstandskracht die op basis van de bekomen metingen is berekend aan de hand van de formule uit paragraaf 7.2.2. In de laatste kolom staat telkens de gemiddelde temperatuur die de kunststofbekleding van het wiel tijdens de test had. De waarden in de kolom ‘rolweerstandscoëfficiënt’ geven de verhouding aan tussen de rolweerstandskracht en de belastingkracht. In de tabel met de resultaten voor het PUR-wiel is een extra kolom opgenomen die de verwachte rolweerstandskracht weergeeft. Deze is berekend met behulp van een Excel-rekenblad dat vorig academiejaar door Joachim Derijck is opgesteld in het kader van zijn masterproef. [12] Dit rekenblad berekent de rolweerstandskracht gebaseerd op de wieltheorie van Lütkebohle, zoals besproken in paragraaf 2.3.3.4. Het rekenblad is niet bruikbaar voor een rubberwiel. Hierdoor zijn de theoretische waarden enkel bepaald voor het PUR-wiel. Tabel 2: Meetresultaten rubberwiel type ACL200X50
Belastingkracht FROL [N] Rolweerstands- Temperatuur [N] coëfficiënt [%] [°C] 1000 18,035 1,80 44,7 2000 32,54 1,63 51,6 3000 50,825 1,69 62,1 4000 65,83 1,65 73,2 5000 82,45 1,65 78,7
113
Tabel 3: Meetresultaten PUR-wiel type VKLA2000504713
Belastingkracht FROL [N] FROL [N] Rolweerstands- Temperatuur [N] theoretisch coëfficiënt [%] [°C] 1000 9,7 2,08 0,97 42,8 2000 15,05 5,88 0,75 41,0 3000 21,305 10,79 0,71 41,3 4000 25,13 16,62 0,63 43,1 5000 29,96 23,22 0,60 45,7 6000 36,04 30,53 0,60 49,2 7000 43,71 38,47 0,62 53,6 8000 49,91 47 0,62 58,6
Figuur 81 toont grafisch het verloop van de rolweerstandscoëfficiënt in functie van de opgelegde belastingkracht voor beide wielen.
Rolweerstandcoëfficiënt [%]
Rolweerstandsmetingen 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
PUR2 Rubber2
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Wielbelastingkracht [N] Figuur 81: Meetresultaten
Uit deze meetwaarden blijkt dat de rolweerstandscoëfficiënt bij het rubberwiel steeds groter is dan die van het PUR-wiel met dezelfde geometrie bij eenzelfde belasting. Dit resultaat komt overeen met wat in de literatuur staat vermeld, namelijk dat de rolweerstand van een rubberwiel groter is dan dat van een PUR-wiel. [3] Deze goede eigenschap van PUR op vlak van rolweerstand is één van de redenen dat deze kunststof
vaak
gebruikt
wordt
bij
heftruckwielen,
geleidingswielen,
rollercoasterwielen, etc. .
114
In Tabel 3 blijkt dat de theoretische rolweerstandskracht niet steeds overeenkomt met de gemeten waarde. Het verloop van beiden wordt in Figuur 82 grafisch weergegeven.
Theoretische t.o.v. gemeten waarden
Rolweerstandskracht [N]
60 50 40 30
gemeten verwacht
20 10 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Wielbelastingkracht [N]
Figuur 82: Theoretische t.o.v. gemeten waarden rolweerstandskracht
Het verschil tussen de theoretische waarden en de gemeten waarden is als volgt te verklaren: bij de theoretische berekening is steeds gebruik gemaakt van een verliesfactor d = 0,035. In paragraaf 2.3.4.2.1 staat de invloed van de temperatuur op deze verliesfactor reeds beschreven. Figuur 83 toont dit verband specifiek voor polyurethaan. Daaruit blijkt dat verliesfactor d = 0,035 geldig is bij een temperatuur van +/- 60°C. Bij een lagere temperatuur zal deze verliesfactor toenemen. De temperatuur van het PUR-wiel stijgt tijdens de metingen bij een toenemende belasting. Bij een belasting van 1000N is de gemiddelde temperatuur ongeveer 43°C. Deze temperatuur stijgt tot ongeveer 59°C bij een belasting van 8000N. De gemeten rolweerstandskracht komt zeer goed met de verwachtingen uit de theorie van Lütkebohle overeen wanneer de gemiddelde temperatuur nadert naar 60°C (dit is de overeenkomstige temperatuur van de gebruikte verliesfactor in het rekenblad). Bij
de
testen
met
een
lagere
gemiddelde
temperatuur
is
de
gemeten
rolweerstandskracht steeds hoger dan de verwachte waarde uit het Excel-rekenblad.
115
Deze trend lijkt te kloppen aangezien de verliesfactor d hoger wordt bij een lagere temperatuur ( Figuur 83). De verliesfactor die in de berekeningen is gebruikt, komt dus niet steeds overeen met deze uit de werkelijkheid. Bij gebrek aan kennis van de exacte waarde van deze verliesfactor in functie van de temperatuur voor het gebruikte type polyurethaan, kan de theoretische berekening niet nauwkeuriger worden uitgevoerd.
Figuur 83: Verliesfactor in functie van de temperatuur PUR [11]
Daarnaast houdt de theorie van Lütkebohle geen rekening met de optredende lagerweerstand. Hun wrijvingsweerstand zit echter wel vervat in de meetresultaten. Dit is een tweede verklaring voor het feit dat de gemeten waarden hoger zijn dan de verwachte waarden. Bovendien mag niet worden vergeten dat de theorie van Lütkebohle een weliswaar goede benadering geeft voor de rolweerstandskracht, maar echter géén exacte waarde. Tot slot dient nog te worden opgemerkt dat de meetopstelling onderhevig is aan trillingen. Deze trillingen beïnvloeden de metingen. De grootte van hun invloed is helaas onbekend. Naarmate de belasting steeg tijdens de testen, daalden de voelbare trillingen in de constructie. Dit is mogelijks een derde verklaring voor het feit dat de meetresultaten de verwachtingen uit de theorie beter benaderen bij de hogere belastingen. 116
Voor
de
drie
hoogste
belastinggevallen
bij
het
PUR-wiel
benadert
de
wieltemperatuur tijdens de test het best de temperatuur waarvan is uitgegaan bij de theoretische berekening. Tabel 4 toont voor deze drie gevallen de gemiddelde temperatuur van de kunststofbekleding tijdens de test. In de laatste kolom staat de procentuele afwijking van het meetresultaat ten opzichte van de verwachte waarde uit de theorie. Tabel 4: Verschil tussen gemeten en verwachte waarden
Belastingkracht [N]
Temperatuur [°C]
Verschil [%]
6000
49,2
18,05
7000
53,6
13,62
8000
58,6
6,19
Naarmate de temperatuur van het wiel deze uit de wieltheorie benadert, verkleint de procentuele afwijking tot waarden beneden de 10%. Hieruit
kan
worden
besloten
dat
de
gemeten
rolweerstandskrachten
de
verwachtingen sterk benaderen. De metingen blijken dus representatief te zijn.
117
9
Besluit
De wielentestbank is zowel op mechanisch als elektrisch vlak aangepast met een maximaal behoud van de oorspronkelijke opstelling. De maximale wielafmeting die kan worden gemonteerd, is niet gewijzigd. De gewenste veranderingen aan de grafische interface van het stuurprogramma zijn allemaal doorgevoerd. Bovendien zijn ook de optionele doelstellingen die als nice to have werden omschreven, gerealiseerd. Op mechanisch vlak betekent dit dat het testwiel voortaan met sporing kan worden getest. De spoorhoek is hiervoor instelbaar tussen nul en tien graden in beide richtingen. Op softwaregebied kan de gebruiker het temperatuursverloop van de laatste vijftien minuten van een wieltest zien op een dynamische grafiek. Op basis van de bekomen meetresultaten kan worden geconcludeerd dat het doel van deze masterproef is bereikt. Vanaf heden kan men bij Vulkoprin representatieve metingen uitvoeren om de rolweerstand van hun wielen te bepalen. De meetresultaten wijken rond de 10% af van de verwachte waarden. Deze afwijking is deels verklaard in hoofdstuk 8 bij de toelichting van de metingen.
118
10
Toekomstmogelijkheden
Nu de doelstellingen voor de rolweerstandsmeting aan de wielentestbank zijn bereikt, betekent dit niet dat de installatie geen verdere aanpassingen of verbeteringen meer kan ondergaan. Op vlak van mechanische opbouw zijn er geen noemenswaardige wijzigingen meer mogelijk. Op het gebied van de elektrische sturing is er echter nog heel wat ruimte voor uitbreiding en verbetering. Allereerst kunnen de niet-doorgevoerde aanpassingen die in paragraaf 6.1.8 beschreven staan alsnog uitgevoerd worden. Dit zou ervoor zorgen dat de ganse sturing uit standaardcomponenten is opgebouwd, wat een vlugge herstelling bij defect mogelijk maakt. Daarnaast kan nog een tweede stuurkaart van hetzelfde type als de eerste in de sturing worden ingebouwd. De software kan met maximaal twee kaarten tegelijk communiceren. Dit zou het mogelijk maken om extra sensoren door de computer te laten inlezen. Zo kan de vermogensmeting die voor de rolweerstandsmeting is opgeofferd, terugkomen in de sturing. Bovendien kan dan in de installatie een tachometer worden voorzien die een terugkoppeling van het toerental van het loopwiel met zich meebrengt. Dit zou ertoe leiden dat de motor voor het loopwiel met een correctere snelheid wordt aangestuurd. Momenteel zit op dit toerental een kleine foutmarge door gebrek aan terugkoppeling van de snelheid. Een laatste mogelijke wijziging is het installeren van een grotere stuurkast. De huidige is eigenlijk net iets te klein waardoor de verschillende componenten zeer dicht op elkaar zijn geplaatst en het overzicht verloren is gegaan. In de toekomst kan de implementatie van enkele van deze voorgestelde aanpassingen overwogen worden.
119
Referentielijst [1] Hager,
M.
&
Will,
F.
(1997).
Prufstand
fur
Kunststoffrader.
MM
Maschinenmarkt Vol. 103 No. 15, pp. 78-80. [2] Hager, M. & Will, F. (1997). Messung des Fahrwiderstandes von Kunststoffrader. MM Maschinenmarkt Vol. 103 No. 8, pp. 20-23. [3] Kauzlarich, J.J. & Thacker, J.G. (1985). Wheelchair tire rolling resistance and fatigue. Journal of Rehabilitation Research and Development Vol. 22 No. 3, pp. 2541. [4] Kunz, J. & Studer, M. (2009). Rollwiderstand von Laufrollen. SwissPlastics 31(2009)10, pp. 71-76 [5] Kunz, J. (2010). Kunststoff-Laufmantelrollen und ihre kontaktmechanische Auslegung. IWK Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung Rapperswil. [6] Lütkebohle,
H.
(1984).
Roll-
und
wälzreibung
zylindrischer
räder
aus
thermoplastischen kunststoffen [doctoraatsschrift]. Technischen Universität Berlin, Fachbereich Konstruktion und Fertigung. [7] Presentatie over rolweerstandsmeetmethodes, auteur en jaartal onbekend, Helmut Schmidt Universität (Universität der Bundeswehr Hamburg). Gevonden in de literatuurarchieven van de firma Vulkoprin. [8] Schael, G. W., Thelin, J.H. & Williams, B.L. (1972). The load-deflection and rolling characteristics of polyurethane wheels. Journal of Elastoplastics 4 (januari), pp. 10-21. [9] Wouters, M. (2013). FEM+Sterkteleer [syllabus]. Universiteit Gent, Faculteit Ingenieurswetenschappen en architectuur. [10] Velleman Mini USB Interface Board. Geraadpleegd op 18 februari 2015. http://www.velleman.eu/products/view/?country=be&lang=en&id=384006 120
[11] Wehking, K. H., Bruns, R. (2011). InnoRad – Erhöhung der Lebensdauer von Rädern und Rollen aus Polyurethan. Institut für Fördertechnik und Logistik, Universiteit Stuttgart. [12] Derijck, J. (2014). Situatieafhankelijke hoofdeigenschappen van een gekozen wielontwerp in functie van zijn gebruikstoestand.[masterscriptie] Universiteit Gent, Faculteit Ingenieurswetenschappen en architectuur.
121
Bijlagen Bijlage A: Elektrische schema's
i
ii
iii
iv
v
