MANAGEMENT RAPPORT DE VERTICALE FIETS

2012

Technische Universiteit Delft Groep 105: T.J. Aarnts C Becker D Boot F Kor A Lorier A Zwartbol

4151569 4172647 4184866 4163192 4094786 4156714

MANAGEMENT RAPPORT DE VERTICALE FIETS Eerstejaars Ontwerpwedstrijd Werktuigbouw

Voorwoord

Dit rapport is het managementrapport van de groep WB105 bestaande uit eerstejaars studenten op de Faculteit 3ME van de TU Delft. Het rapport is bedoeld om verslag uit te brengen aan onze managers van de verschillende afdelingen. In het rapport wordt duidelijk gemaakt welke keuzes er zijn gemaakt in het ontwerpproces. Verder willen wij nog bepaalde instanties en personen bedanken zoals de TU Delft voor het beschikbaar van het noodzakelijke budget voor dit project en willen wij dhr. Gerard van Vliet en de begeleiders van de Inloop Werkplaats voor studenten bedanken voor de uitstekende hulp en geboden faciliteiten, zonder hen was dit project niet gelukt. Ook willen wij onze sponsor ‘’FG Governors & Engine parts’' bedanken voor de geboden financiële steun. Verder had dit rapport niet tot stand kunnen komen zonder de gegeven colleges en het boek ‘’rapportage-techniek’’ van dhr. Bas Andeweg. Auteurs: Tom Aarnts Christoph Becker Dino Boot Flip Kor Alex Lorier Arnout Zwartbol

TUDelft Project “ontwerpwedstrijd” 2012 | WB105

ii

Inhoudsopgave


iii

Samenvatting managementrapport ‘Verticaal fietsen’

Nederland raakt steeds dichter bevolkt, men probeert daarom ruimte te besparen door steeds hogere flats neer te zetten. Deze hoge gebouwen hebben echter ook een aantal nadelen, waaronder de veiligheid bij problemen. Iemand in nood redden uit een hoog gebouw is erg lastig, vooral door de onbereikbaarheid. Als mogelijke oplossing heeft de TUDelft in samenwerking met Gezelschap Leeghwater daarom dit jaar ‘verticaal fietsen’ als onderwerp gekozen voor de jaarlijkse ontwerpwedstrijd. De ontwerpwedstrijd is een half jaar durend project waarbij studenten in groepen de opdracht krijgen een oplossing te bedenken en deze ook uit te voeren. Het project wordt afgesloten met een wedstrijdelement, hierbij is het doel om zo snel mogelijk boven in de kabel te komen. Ook zal er een prijs zijn voor het meest innovatieve ontwerp. Dit rapport heeft als doelstelling de gemaakte keuzes en ideeën in het ontwerpproces weer te geven en te beschrijven. Er wordt aangegeven waarom bepaalde keuzes zijn gemaakt en aan de hand van welke ideeën dit gebeurd is. Ten eerste is het onderwerp volledig uitgewerkt in deelonderwerpen, zo ontstond een veel breder beeld van het probleem. Door middel van theorie, colleges en research op internet konden zo deeloplossingen opgesteld worden. Om hieruit een duidelijk beeld te krijgen is er een morfologisch overzicht van gemaakt, dit overzicht geeft nieuwe inzichten in de conceptvarianten. Door aan elke eis een bepaalde waarde toe te kennen, kon er doormiddel van een punten systeem een ‘winnaar’ gekozen worden. Bijvoorbeeld degene met op de belangrijkste eisen de meeste punten. Er is voor dit project 150 euro beschikbaar gesteld door de TUDelft. Kosten buiten dit budget mogen door sponsoring vergoed worden. Door de TUDelft zijn een aantal eisen of voorwaarden gesteld waaraan de constructie moest voldoen. Omdat het om een fiets gaat, moet de overbrengen gebeuren doormiddel van een trapas en pedalen. Ook moet alles op spierkracht gedaan worden, belangrijk dus dat de constructie ook zo compact en licht mogelijk is. Voor de veiligheid zijn er ook enkele eisen, zo moet er een zekering zijn op de constructie. Hiermee kan de fietser weer naar beneden geholpen worden, mocht de fiets het begeven. Er zijn door de groep zelf ook een aantal (extra) eisen bedacht. Zoals een hoog rendement en laag gewicht. De energie die nodig is blijft dan laag. Omdat er een budget van 150 euro door de TUDelft beschikbaar is gesteld, is er ook de eis dat een groot deel demontabel moet zijn. Dit zou in volgende jaren opnieuw gebruikt kunnen worden. Met behulp van de opgestelde eisen en het morfologisch overzicht konden concepten opgesteld worden. Het verschil in concepten is duidelijke te zien in de volgende tabel en de daarop volgende figuren die de verschillende kleminrichtingen weergeven. De kleminrichting van concept 1 is dezelfde als concept 4. Tabel 1: Conceptvarianten

Concept 1

Concept 2

Concept 3

Concept 4

Vorm Frame

Platform

Vierkant

Kooi

Vierkant

Materiaal

Aluminium

Staal

Aluminium

Staal

Kleminrichting Rem

3-wielklemming Schijfrem

Trommel Klemmen

Dubbel wielen As blokkeren

3-wielklemming As blokkeren

Overbrenging

Ketting

Ketting

Directe tandwielen

Dubbel Hand/voet

Positie Fietser

Zittend

Liggend

Staand

Zittend


iv

Figuur 1:3-klemrichting

Figuur 2: Dubbelwielen

Figuur 3: Trommel

Aan elke eis/criteria is een waarde toegekend. Des te belangrijker de eis, hoe hoger de weegfactor. In Tabel 2 staan de afwegingen. Betrouwbaarheid is bij dit onderwerp van groot belang, de gebruiker moet er zeker van kunnen zijn dat hij op een hoogte van 10 meter nog veilig is. Om deze betrouwbaarheid te waarborgen zijn een aantal onderdelen van groot belang. Deze staan daarom ook hoog in de tabel. Doordat deze fiets niet lang gebruikt zal worden, worden er maar weinig punten toegekend aan comfort en uiterlijk. Kosten en assemblagetijd zijn door de TUDelft opgegeven eisen. In deze onderdelen zit nog redelijk wat speling, hierdoor krijgen deze ook niet een hoge weegfactor. Hieruit volgt dat concept 4 het hoogst aantal punten heeft behaald. Vooral op de criteria met een hoge weegfactor scoort 4 goed. Tabel 2: Afweging concepten

Criteria Betrouwbaarheid Grip Massa Rendement Kosten Assemblagetijd Comfort fietser Uiterlijk

Weegfactor 10 7 6 5 4 3 2 1

Concept 1 Concept 2 Concept 3 Concept 4 score tot score tot score tot score tot 2 20 3 30 2 20 3 30 2 14 3 21 2 14 3 21 1 6 3 18 2 12 3 18 2 10 1 5 2 10 3 15 2 8 3 12 1 4 2 8 0,5 1,5 2 6 0,5 1,5 2 6 3 1

6 1 66,5

2 1

4 1 97

1 1

2 1 64,5

3 1

6 1 105

Hiernaast is een 3D-model te zien van het eindontwerp(zie figuur 4). Het is een uitwerking van het hier bovengenoemde concept 4, hierbij is alleen het vierkante frame vervangen door een soort kooiconstructie. Het touw waarover de fiets zich voortbeweegt loopt door de kleminrichting en tussen de benen van de fietser naar beneden. Doordat de fietser dicht bij het touw is gepositioneerd zal het geheel in evenwicht blijven en kan het zich zo zonder problemen de hoogte in begeven. De totale kosten voor de constructie van de verticale fiets bedragen een afgeronde €250, -. Zoals eerder gezegd was er €150,- door de TU Delft beschikbaar gesteld. De andere €100,- is verkregen via sponsoring. Figuur 4: Solidworks model eindontwerp


v

1 Inleiding

Steeds meer grote en hoge gebouwen verschijnen in Nederland. Men probeert daarmee ruimte te besparen. Het bouwen van hoge gebouwen heeft alleen ook wat nadelen, met als grootste nadeel de veiligheid bij calamiteiten. Stel dat er bij hoge flat een brand uitbreekt, dan is dat een zeer groot probleem. Maar ook mensen redden bij insluiting is een groot probleem. Een oplossing voor dit probleem, een fiets die verticaal kan fietsen, is dan ook het onderwerp van de Ontwerpwedstrijd 2012. Deze wedstrijd wordt elk jaar door de studievereniging Gezelschap Leeghwater en een team van docenten van de TU Delft georganiseerd. Tijdens dit half jaar durende project krijgen de studenten de opdracht om een fiets te vervaardigen die verticaal omhoog kan fietsen. Het project wordt vervolgens afgesloten met een wedstrijd waarin de projectgroepen tegen elkaar strijden om de prijs voor de snelste tijd en/of de beste constructie. Het doel van dit rapport is het meest veelbelovende ontwerp te presenteren op basis van de gemaakte keuzes. Deze keuzes worden toegelicht waarbij ook gebruik wordt gemaakt van schema’s en berekeningen. De werkwijze is als volgt, als eerste is er een doel gesteld. En zijn alle beperkingen vastgesteld en hier een lijst van opgesteld. vervolgens zijn de hoofd- en deelfuncties toegekend. Per deelfunctie is gekeken naar de mogelijke oplossingen. Dit geheel is allemaal in een morfologisch overzicht gezet, hierdoor konden de conceptvarianten opgesteld worden. hieruit zijn uiteindelijk 3 concepten gekomen waaruit later het ontwerp gekozen werd. Deze is geheel verwerkt in ‘Solidworks’. Er zijn een aantal randvoorwaarden aan het ontwerp van de fiets verbonden. De diameter van het touw is waarschijnlijk 12 mm dik. De fiets wordt echter niet voor een specifieke dikte van het touw ontworpen. De hoogte die de fiets moet halen zal tussen de 6 en 12 meter liggen. De aandrijving moet via trapas en pedalen, human powered. Er moet een zekering zijn waaraan de fietsen naar beneden kan worden geholpen. Het rapport bestaat uit de volgende onderdelen. In hoofdstuk 2 wordt de opdracht omschreven. In hoofdstuk 3 worden de basisoplossingen geïnventariseerd. In hoofdstuk 4 worden dan drie conceptvarianten besproken die uit de basisoplossingen zijn voortgekomen. In hoofdstuk 5 wordt één van de drie conceptvarianten als definitief ontwerp gekozen, dat uitgewerkt wordt in hoofdstuk 6. De uitvoering wordt besproken in hoofdstuk 7, waarna in hoofdstuk 9 de kosten worden besproken. Ten slotte worden in hoofdstuk 9 conclusies getrokken over het gehele ontwerpproces.


1

2 Opdrachtomschrijving van de ontwerpwedstrijd: ontwerp een verticaal klimmende fiets

Dit hoofdstuk beschrijft in de eerste paragraaf de opdracht die de studenten werktuigbouw hebben gekregen in het kader van de eerstejaars ontwerpwedstrijd. Er wordt beschreven wat het ontwerp is en welke eisen en voorwaarden er bij dit ontwerp kwamen kijken. In de tweede en derde paragraaf komen de doelstelling en beperkingen aan bod. 2.1 Beschrijving van de opdracht De opdracht van dit jaar is de verticale fiets. Deze fiets, van eigen ontwerp, moet met een persoon uit de groep 6 tot 12 meter omhoog klimmen langs een touw. Het doel hierbij is om het zo snel en soepel mogelijk te doen, dus zonder al te veel krachtsinspanningen. Verder zijn er door de docenten ook een aantal regels opgesteld. Bijvoorbeeld aan de radius waarbij het touw mag buigen, dit om beschadiging te voorkomen. Ook zijn er veiligheidseisen, zoals een oog aan de fiets zodat deze gezekerd kan worden vanaf de grond. Onderaan het touw hangt een gewicht van 40kg, hierdoor staat touw continue onder spanning. Het wedstrijdelement komt vooral tot uiting bij de laatste dag van het project, hier wordt de tijd gemeten tot de fiets boven is. Ook wordt er een aparte ontwerp prijs uitgereikt voor het beste ontwerp. Dit hoeft niet het snelste ontwerp te zijn maar moet wel goed werken. De TUDelft heeft een budget ter beschikking gesteld van 150 euro per project groep. Het is wel toegestaan om sponsoren te werven om het budget te verruimen en zo specialistischer aan het werk te kunnen gaan. Daarnaast stelt de TUDelft ook de inloop werkplaats (IWS) en de assemblage werkplaats (SAW) beschikbaar voor het vervaardigen en assembleren van de ontwerpen. Tijdens het hele proces, vanaf het bedenken van het concept tot en met het testen van het uiteindelijk ontwerp, moeten de projectgroepen hun proces bijhouden in een constructiedossier en worden de studenten begeleid door hun student coaches. Daarnaast zijn er ook 3 Management-meetings met docenten om het proces van de voorgaande 2 weken bij te houden. Aan de wedstrijd zelf is ook een regelement verbonden, zie bijlage A1, waarin de regels staan voor zowel tijdens de wedstrijd als er omheen. 2.2 Doelstelling van het project De doelstelling gesteld door de projectgroep zijn het behalen van een goed cijfer, maar nog belangrijker een werkende fiets. Er is bij dit project gekozen voor een ontwerp dat niet gedurfd is en niet enorm vernieuwend. Er is gekozen voor een ontwerp dat werkt en een goede tijd zal gaan behalen. Dit is ook terug te zien in de concepten van de groep, welke hierna aan bod zullen komen. 2.3 Beperkingen Er zijn uiteraard ook beperkingen aan het ontwerp. Ten eerste is er het zoals eerder genoemde budget van 150 euro. Hoewel dit vrij flexibel is, dient er wel rekening mee te worden gehouden. Ook de materialen waarmee gebouwd kan worden dienen aan bepaalde voorwaarde te voldoen. Lichte materialen zoals Koolstofvezel zijn enorm sterk, maar het bewerken kan hiervan kan op de TU zelf niet gedaan worden. Ook is er op de TU maar beperkt ruimte beschikbaar om zelf onderdelen te vervaardigen. Hier dient dus rekening mee gehouden te worden. Verdere eisen staan in bijlage A2.


2

3 Inventarisatie basisoplossingen

In dit hoofdstuk zullen de basisoplossingen worden gepresenteerd. De eerste paragraaf maakt onderscheid in hoofd en sub functies. Paragraaf twee geeft een morfologisch overzicht en als laatste worden de basisoplossingen per sub-functie gegeven. 3.1 Indeling hoofd- en subfuncties Om de concepten later in het project te kunnen beoordelen is er een inventarisatie gemaakt van hoofd en subfuncties waarop de concepten beoordeeld kunnen worden. Zie hieronder en bijlage A2. Waarbij de hoofdfunctie is geabstraheerd vanuit de opdracht die door de TU Delft is gegeven. De deelfuncties zijn afgeleid uit de hoofdfuncties en het reglement. Vanuit deze deelfuncties zijn de deelonderwerpen van de fiets bepaald die elk een oplossing nodig hadden. 3.2 Morfologisch overzicht Het morfologisch overzicht is een gereedschap dat gebruikt is voor het bepalen van de 3 concepten, In deze tabel staan links verticaal de deelonderwerpen en horizontaal de mogelijke oplossingen. Door een lijn van boven langs de verschillende gewenste deelonderwerpen te trekken krijgt men een conceptvariant. De bepaalde conceptvarianten zijn terug te vinden in (bijlage A4). Het is onhandig en geeft geen verheldering het morfologisch overzicht hier te plaatsen. Daarom wordt naar de bijlage verwezen. Door nog een tweede keer alle subfuncties door te lopen is gebleken dat concept 1 onrendabel was en ter vervanging is concept 4 bedacht, (zie bijlage A5). 3.3 Bespreken basisoplossingen per sub functie Het bespreken van de basisoplossingen is een erg intensief en uitgebreid werk, hierdoor is dit ook onpraktisch om dit in zijn geheel te bespreken. Daarom staat er in de bijlage staat een volledig overzicht voorzien van commentaar. Het idee achter het bespreken per subfunctie is de mogelijkheid om combinaties te maken in het morfologisch overzicht. Door dit handig en doordacht te doen kunnen nieuwe concepten bedacht worden waar in eerste instantie niet bij stilgestaan was. Tabel 3.1: Overzicht oplossingen en functies. Deelfuncties:

Ontwerp eisen:

Deelonderwerp:

Fiets vastmaken

Zo licht mogelijk

Klem-inrichting

Klimmen via het touw

Aangepast op bestuurder

Langs de kabel kunnen bewegen

Via dezelfde kabel weer afdalen.

Stevig

Transmissie

Fiets losmaken

Zo min mogelijk geld

Positie fietser

Alles binnen 15 minuten.

Roestvrij

Frame vorm/materiaal

Binnen 5 minuten van beneden naar boven.

Veilige afwerking

locatie zwaartepunt

Zekeringspunten

Geen slip tussen de kabel en de fiets

Veilig

Hoog rendement

Fietsende beweging Fietser mag geen contact met de kabel hebben Niks aan de kabel vastmaken en niet beschadigen De-montabele contructie


3

4 De vier conceptvarianten

In dit hoofdstuk worden de vier conceptvarianten opgesteld. Door middel van het gebruik van een morfologisch overzicht zijn deze varianten eruit gekomen. De aandrijvingen van de concepten zijn veruit het belangrijkst en worden daarom vooral besproken. Het vierde concept is het uiteindelijke concept geworden en wordt uitgebreider besproken.

De concepten zijn met de volgende criteria opgebouwd: • • • • • •

Vorm Frame Kleminrichting Reminrichting Overbrenging Positie fietser Positie zwaartepunt

Concept 1: Driewiel klemming Voor de vorm van het frame van concept 1 is gedacht aan een platform van aluminium.Het platform zorgt voor een stabiele, sterke en veilige ondergrond waar de bestuurder het voertuig op bestuurd. De kleminrichting voor de aandrijving op het touw is gekozen als de 3wiel-klemming (zie figuur 4.1). Bij dit concept bestaat de aandrijving uit 2 wielen die het touw om een groter wiel spannen, deze 2 kleinere wielen zijn niet aangedreven. Als reminrichting is gekozen voor een schijfrem omdat hier makkelijk aan te komen is en het een bewezen oplossing is in bijvoorbeeld de auto industrie. Voor de overbrenging is gekozen voor een ketting omdat het goedkoop is en er is makkelijk aan te komen.

Figuur 4.1 Driewiel klemming

De positie van de fietser is zittend genomen omdat je dan het best de kracht kan overbrengen op de aandrijving . De Positie van het zwaartepunt is zo dicht mogelijk bij het touw voor de stabiliteit van het voertuig


4

Concept 2: De Trommel De vorm voor het frame is gekozen als vierkant van staal omdat dit sterk is en makkelijk te vervaardigen met lassen. Voor de kleminrichting is gekozen voor een trommelconcept (zie Figuur 4.2), de trommel is simpelweg een cilinder waar het touw 2 maal omheen geslagen wordt en aan de bovenkant omgewikkeld en aan de onderkant weer afgewikkeld. De trommel is simpel te ontwerpen en te vervaardigen en het biedt vrijwel zeker de vereiste grip om omhoog te klimmen , een mogelijk probleem met dit concept is dat het touw kan gaan schuiven met opwikkelen en afwikkelen van het touw waardoor de wrijving enorm kan oplopen. Als reminrichting is er gekozen het touw te klemmen tussen 2 platen omdat dit simpel te vervaardigen en effectief is. Ook hier is voor de overbrenging weer een ketting gebruikt. De positie van de fietser is liggend.

Figuur 4.2: Trommel

Concept 3: Dubbele wielen De vorm van het frame is een kooiconstructie omdat dit stijf en lichtgewicht is en een bewezen frametechniek is. Het materiaal is aluminium omdat dit de massa laag houdt. De aandrijving in dit concept bestaat uit 2 aangedreven wielen (zie Figuur 4.3) waar het touw elk een halve slag omheen maakt uit de berekeningen blijkt dat dit genoeg grip zal geven. Doordat er 2 wielen zijn aangedreven is dit moeilijker te vervaardigen en zijn er grote krachten nodig om het touw tussen de wielen te klemmen. Bij dit concept blijft het touw door de 2 wielen in één lijn en zal niet gaan schuiven. Een vereiste voor dit concept is dat er een aandrijving naar beide wielen moet om voldoende grip te bieden waardoor de kosten mogelijk hoger liggen dan bij de andere concepten. Voor de reminrichting is gekozen voor het blokkeren van de as zoals ook wel bij een lier voorkomt. Als overbrenging is gekozen voor directe tandwielen dit voorkomt de noodzaak voor een ketting. Als positie voor de bestuurder is staand gekozen

Figuur 4.3: Dubbele wielen


5

Concept 4: Driewielen v2 Dit concept is het uiteindelijke concept geworden omdat dit het beste van alle voorgaande concepten combineerde Het frame van concept 4 is een stalen buizenframe geworden wat ook in de fietsindustrie veel wordt toegepast vanwege de stijfheid en sterkte gecombineerd met een laag gewicht. Het materiaal staal is gekozen omdat het in tegenstelling tot aluminium eenvoudig is om te lassen en het gewicht door de buisconstructie laag genoeg gehouden kan worden Aandrijving en kleminrichting Als aandrijving is gekozen voor het 3 wiel concept omdat dit de benodige grip biedt zonder de nadelen van van de andere concepten. Als reminrichting is gekozen voor het asblokeren omdat dit compact is in te bouwen bij Figuur 4.4: Solidworks model eindontwerp de aandrijving waardoor er gewicht wordt bespaard. Als aandrijving is gekozen voor een dubbele crankset met 2 kettingen zodat de kracht van de benen en armen gecombineerd kan worden. Als zitting is een stoeltje van een ligfiets gebruikt voor optimale krachtoverdracht en balans.

Figuur 4.5: Solidworks model (zij-aanzicht)


6

5 Definitieve ontwerpkeuze Een ontwerpkeuze kan niet zomaar gemaakt worden. Er moet een goede afweging gemaakt worden tussen elk onderdeel van elk concept. Alleen zo kan je de beste keuze maken voor het meest geschikte concept. Hieronder zullen alle stappen beschreven worden die genomen zijn om tot het gewenste eindontwerp te komen. De afsluiting van de hoofdstuk zal bestaan uit een beschrijving van de definitieve ontwerpkeuze.

5.1 Criteria Omdat een definitieve ontwerpkeuze niet zomaar gemaakt kan worden moeten er criteria opgesteld. Deze criteria zorgen ervoor dat uit alle ontwerpen het beste ontwerp naar voren komt. De in de hoofdstuk behandelde criteria zijn ontstaan vanuit de door zowel de TU als door de groep zelf gestelde eisen. Ook hebben de regels van de wedstrijd en de opdrachtbeschrijving hier invloed op gehad. Nadat alle criteria waren opgesteld, kregen ze een weegfactor. De weegfactoren zijn ontstaan door te kijken naar welke criteria er het belangrijkste werden geacht voor een succesvolle afronding van het project. Zo heeft betrouwbaarheid weegfactor tien gekregen en uiterlijk maar een. De gestelde eisen en de hieruit voortgekomen criteria zijn te vinden in bijlage A6.

5.2 Toetsing van de conceptvarianten aan de criteria Om tot een uiteindelijk ontwerp te komen moesten de conceptvarianten tegen elkaar afgewogen worden. Dit werd gedaan aan de hand van de hierboven genoemde beoordelingscriteria met hun bijbehorende weegfactor. Elk concept kreeg per criterium een cijfer, waarbij een drie het hoogst en één het laagst haalbare was. Dit cijfer werd vervolgens vermenigvuldigd met de weegfactor. Zo komt er voor elk concept een score per criterium uit. Tel al deze scores bij elkaar op en je heb een overzicht welk concept er over het geheel het best gescoord heeft. De criteria betrouwbaarheid en grip werden door de projectgroep echter zo van belang gevonden dat een concept automatisch afviel als het een één scoorde voor een van deze twee criteriums. De hier onderstaande tabel (zie tabel 5.1)laat de door de concepten behaalde scores per criterium zien. Na alle scores berekend te hebben bleek concept 4 veruit het meest te voldoen aan alle gestelde eisen, zeker ook als er gelet wordt op de zwaarst wegende criteria. Tabel 5.1: Afweging concepten

Criteria Betrouwbaarheid Grip Massa Rendement Kosten Assemblagetijd Comfort fietser Uiterlijk

Weegfactor 10 7 6 5 4 3 2 1

Concept 1 Concept 2 Concept 3 Concept 4 cijfer score cijfer score cijfer score cijfer score 2 20 3 30 2 20 3 30 2 14 3 21 2 14 3 21 1 6 3 18 2 12 3 18 2 10 1 5 2 10 3 15 2 8 3 12 1 4 2 8 0,5 1,5 2 6 0,5 1,5 2 6 3 1

6 1 66,5


2 1

4 1 97

1 1

2 1 64,5

3 1

6 1 105

7

5.3 Definitieve ontwerpkeuze Hieronder (zie figuur 5.1) is een 3D-model te zien van de definitieve ontwerp. Het is een uitwerking concept 4 zoals deze te vinden is in het morfologisch overzicht, hierbij is alleen het vierkante frame vervangen door een soort kooiconstructie. Het eindontwerp bestaat grofweg uit vijf samengevoegde onderdelen: het stalen frame, de zitting, de voetaandrijving, de handaandrijving en de 3-wiel kleminrichting. Het touw waarover de fiets zich voortbeweegt komt loopt door de kleminrichting tussen de benen van de fietser door naar beneden. In de kleminrichting zal het via twee geleidingswieltjes om een met rubber ingelegd hoofdwiel lopen. Dit wek genoeg wrijving op zodat de gehele constructie niet naar beneden zal vallen. Het hoofdwiel wordt tevens aangedreven door zowel de voet- als handaandrijving en kan zich zo langs het touw omhoog bewegen. Het touw zal de kleminrichting aan de onderkant verlaten en langs het frame weglopen. Doordat de fietser dicht bij het touw is gepositioneerd zal het geheel netjes in evenwicht blijven.

Figuur 5.1: Zijaanzicht 3D-model van de definitieve ontwerpkeuze.


8

6 Constructie uitwerking en fabricage

In dit hoofdstuk wordt het definitieve ontwerp uitgewerkt en de fabricage besproken. 6.1 bestaat uit de berekeningen voor de dimensies van het ontwerp. Deze geven een richtlijn bij het inschatten van het gewicht en kosten van het materiaal.

6.1 Berekeningen voor de ideale aandrijving Om de krachten van de fietser optimaal te benutten, is het belangrijk eerst te weten wanneer en hoe een fietser zijn optimale vermogen en koppel levert. Op basis van een internetonderzoek [bron 1] blijkt dat de ideale trapfrequentie voor de gemiddelde persoon tussen de 80 en 85 toeren per minuut ligt. Het vermogen dat een persoon bij deze trapfrequentie kan leveren is 150-250 Watt. Met deze twee gegeven komen we op een trapmoment van ongeveer 30 Nm. Omdat deze waarde te laag is om het moment van het gewicht van de fiets en de fietser te weerstaan, moet er een overbrenging komen. Een hefboom werking, met minder kracht meer moment kunnen leveren. Om de overbrengingsverhouding te bepalen, moet eerst het moment die het gewicht levert op het touw berekent worden. De uitwerkingen van deze berekeningen kunt u in de Bijlage A8 terugvinden Uit de berekeningen komt een overbrengingsverhouding van 7.194. Grip Om ervoor te zorgen dat de wielen via het touw naar boven kunnen klimmen, moet ervoor gezorgd worden dat er genoeg wrijving is tussen beide oppervlaktes. Te weinig grip zal ervoor zorgen dat de wielen gaan draaien zonder omhoog te klimmen, de wielen slippen. Om dit te berekenen wordt de Capstan-equation gebruikt. [bron 3] Een uitwerking van deze berekeningen is ook te vinden in Bijlage A8 De berekeningen voor de geschatte tijd om naar boven te komen zijn ook te vinden in Bijlage A8. Het resultaat zonder wrijvingsverliezen meegenomen is ongeveer 52sec . In bijlage A7 staat een uitgewerkte Matlab® code met daarin de bijbehorende formules en antwoorden.

6.2 Berekeningen aan de dimensies van het ontwerp. Deze paragraaf heeft als onderwerp het berekenen van de verschillende grootheden die nodig zijn voor een optimaal gebruik van de fiets. Met als belangrijkste punt de sterkte berekeningen die nodig zijn voor het frame. Omdat het gekozen onderwerp een stalen frame heeft, is het minder noodzakelijk de constructie tot in detail door te rekenen. Ook is het frame gebaseerd op het frame van een ‘normale’ fiets. Het frame is ontworpen met een driehoek constructie van metalen profielen wat een zeer sterke en stijve constructie tot gevolg heeft met een veiligheidsfactor van ruim boven de >3x


9

6.3 Vervaardiging van de aandrijfonderdelen. Zelf vervaardigt zijn onder andere de aandrijvingswielen(zie figuur 7.1) en de assen(zie figuur 7.2), In de inloop werkplaats van de Faculteit 3ME. Daar zijn de aandrijvingswielen op draaibank afgedraaid en is er een V-groef in gemaakt waar de kabel doorheen gaat lopen, het gat voor de as is en de lagers zijn voor de vereiste passing en precisie ook op de draaibank gemaakt. De gaten voor de tandwielen zijn met een kolomboormachine vervaardigd en getapt met een draadsnijder. De trapassen voor handen en voeten zijn afgeslepen van twee oude fietsen en zijn op het frame gelast.

Figuur 7.2: As

Figuur 7.1: Hoofdaandrijfwiel

6.4 Vervaardiging van het frame . Frame en behuizing Het frame en de behuizing van de aandrijvingswielen zijn zelf uit stalen buizen en platen gezaagd en samengelast, met behulp van de faciliteiten in de 3ME faculteit.

Figuur 7.2: Zitting en frame

Zitting Voor de zitting is een Ligfiets stoeltje gebruikt. Dit stoeltje is gekocht op internet op een site van een houtbewerker. Het stoeltje is door middel van slotbouten op het frame gemonteerd. Overige onderdelen Kleinere onderdelen zoals lagers, tandwielen en sluitringen zijn gekocht bij handelaren. Omdat er vrij veel zelf gemaakt is, is de vervaardiging relatief langzaam gegaan. Maar door de eenvoud van het ontwerp, en het kleine aantal van onderdelen, is er geen tijdnood opgetreden.


10

7 Kosten

In dit hoofstuk worden de kosten van dit project gepresenteerd, de projectgroep vondt dit een belangrijk deel van het ontwerp, omdat dit zeer bepalend was voor het uiteindelijke ontwerp. Daardoor is dit een apart hoofdstuk, en wordt het niet vermeld als bijlage. De TU delft heeft een budget van 150 euro per projectgroep beschikbaar gesteld voor het vervaardigen van de verticale fiets. De 150 euro mag besteed worden aan onderdelen die bijvoorbeeld via PMB kunnen worden gekocht. Het is een hoog bedrag wat de TU beschikbaar stelt, daarom is er als voorwaarde dat de fiets demontabel is. Zo kunnen de onderdelen worden hergebruikt binnen de TU. Mochten de kosten van de verticale fiets hoger zijn dan het beschikbaar gestelde bedrag, dan word er van de studenten verwacht dat zij deze zelf betalen of te laten sponseren. Sponsering kan in de vorm van het krijgen van onderdelen die nodig zijn voor de fiets. Ook kan men gewoon een bedrag sponseren. De projectgroepen moeten de sponser dan vermelden door bijvoorbeeld t-shirts te dragen van het bedrijf. In projectgroep 105 zijn de kosten tot nog toe niet ver buiten de 150 euro gegaan. Er zijn wel iets van extra kosten, deze worden deels opgevangen door sponsering. Er is 100 euro beschikbaar gesteld door een bedrijf, in ruil daarvoor zullen er t-shirts worden bedrukt met de naam van het bedrijf daar op. De t-shirts zijn ook gesponserd door een drukkerij. De kosten die zijn gemaakt hebben staan in de onderstaande tabel, tabel 8.1. Tabel 8.1: Het totale kosten plaatje.


11

8 Conclusie

Voor de ontwerpwedstrijd van de TU Delft was de opdracht gegeven een fiets te ontwerpen die langs een touw omhoog kan bewegen. Geconcludeerd kan worden dat Concept 4 : de 3-wielklemming een veelbelovend concept is en mogelijk in de toekomst veel toegepast kan gaan worden. Het concept voldoet aan alle eisen die gesteld zijn door zowel de projectgroep als door de TUDelft. Dit concept heeft de voorkeur gekregen boven de andere concepten doordat deze minder betrouwbaar en snel waren. De 3-wiel klemming is een ontwerp dat doormiddel van 3 klemmende wielen via een touw omhoog kan bewegen door behulp van een fietsende beweging. Voor de aandrijving worden zowel de handen als voeten gebruikt. Het concept heeft inmiddels de eerste test doorstaan en is daar goed uitgekomen er zijn in de test nog verbeterpunten naar voren gekomen wat verder verbeterd kan worden waardoor dit ontwerp de potentie heeft om nóg beter te worden.


12

Literatuurlijst

Kraats,H vd. Efficiënt Trappen(2012). http://members.home.nl/vd.kraats/ligfiets/pedal.html#Efficient trappen Geraadpleegd 3 Juni 2012. Van Beek,A(2012). Powerpointslides OWS. Delft: TUD, Faculteit 3ME. Knoester,J & Visser,R Lesmateriaal Integraal Project Ontwerpen. Delft: TUD, Faculteit 3ME.


13

Bijlage A1 Regelement TU Delft : Basis regels: De kabelfiets moet in 5 minuten startklaar zijn. In deze 5 minuten wordt de fietser en de fiets voor de veiligheid gezekerd. De fietser doet vooraf een klimgordel om. De fiets moet bovenaan voorzien zijn van een bevestigingspunt voor de zekering. De totale cyclustijd, in startpositie brengen, omhoog fietsen en afdalen mag 15 minuten in beslag nemen. Via de trapas en pedalen moet de energie worden overgebracht om ten minste de massa van de fiets omhoog te bewegen. De fietser gaat mee omhoog en is iemand uit het team. De fietser zelf mag de kabel niet vastpakken of aanraken. Behalve de kabelfiets die aan de kabel wordt gehangen en het zekeren, mogen er geen andere bevestigingen worden gemaakt. De kabelfiets moet veilig zijn, geen open kettingwielen waar je vingers tussen kunnen komen, geen scherpe randen, geen uitstekende assen, de kabel mag niet beschadigen (buigradius >40mm). De kabelfiets moet demontabel zijn (behalve het frame dat gelast mag worden moeten alle onderdelen demontabel zijn). Omdat de kabelfiets mee omhoog gaat is het verstandig de massa klein te houden (lichtgewicht construeren). De deelnemers mogen een extra poging doen als de wedstrijdleiding hier een reden voor ziet. Kosten: De TU-Delft stelt per team een materieel krediet van € 150 beschikbaar dat besteed kan worden aan onderdelen bij voorgeselecteerde leveranciers (collectief ingekocht). Onderdelen die op andere wijzen worden aangeschaft worden niet vergoed. Sponsoring is toegestaan maar niet nodig. Tegenprestaties zoals stickers op eigen kabelfiets en het dragen van een T-shirt met bedrijfslogo is toegestaan. Aandachtspunten voor de ontwerpprijs: Duidelijke motivatie ontwerpkeuzes in management rapport Afwerking (scherpe randen, uitstekende assen, geen duct tape enz) Veilig (zie afwerking), de kabel niet beschadigen. Robuust (heeft ook met veiligheid te maken) Lichtgewicht (profielstaal, buis in plaats van stafmateriaal). Roestbestendig (echter, in de werkplaats mogen geen bijzondere staalsoorten zoals RVS worden verspaand). Eenvoudig demontabel (slimme verbindingen). Hanteerbaarheid


14

Bijlage A2 Hoofd,deelfuncties,ontwerp eisen en deelonderwerpen hoofdfunctie: Verticaal fietsen. Door middel van een fiets/trap beweging een verticale beweging uitvoeren langs een kabel. Via dezelfde kabel ook weer naar beneden te kunnen. Deelfuncties: Fiets vastmaken Klimmen via het touw Via dezelfde kabel weer afdalen. Door zekering of door eigen trapbeweging. Fiets losmaken Alles binnen 15 minuten. Binnen 5 minuten van beneden naar boven. Zekeringspunten Veilig Fietsende beweging Fietser mag geen contact met de kabel hebben Niks aan de kabel vastmaken en niet beschadigen De-montabele contructie Ontwerp eisen: Zo licht mogelijk Aangepast op bestuurder Stevig Zo min mogelijk geld Roestvrij Veilige afwerking Geen slip tussen de kabel en de fiets Hoog rendement Deelonderwerp: Klem-inrichting Langs de kabel kunnen bewegen Transmissie Positie fietser Frame vorm/materiaal locatie zwaartepunt


15

Bijlage A3 Oplossingen voor deelproblemen concipiëren Vorm Frame: Kooi Platform Rond Vierkant Boven/onder Kleminrichting Er zijn verschillende vormen denkbaar. Het is hierin denkbaar om een open of dicht frame te maken. Materiaal: Aluminium Staal Carbon Kunststof Carbon en Kunstof zijn opties, maar niet erg realistisch. Staal is hierbij logischer, Aluminium is namelijk lastig te lassen. Kleminrichting: 3-wiel klemming Rupsbanden Dubbele wielen klemming Trommel Reminrichting: Klemmen Schijfrem As blokkeren Overbrenging: Ketting Directe tandwielen V-snaar Dubbele ketting (hand/voet) Positie Fietser: Zittend Staand Liggend Bedenken in welke positie de meest kracht te leveren is. Ook welke voor de meeste stabiliteit zorgt. Positie Zwaartepunt: Zo dicht mogelijk bij het touw


16

Bijlage A4 Morfologisch overzicht


17

Bijlage A5 Morfologisch overzicht V2


18

Bijlage A6

De 6 beoordelingscriteria. Het getal achter het criterium geeft de weegfactor aan. Betrouwbaarheid (10) Grip (8) Massa (6) Rendement (5) Kosten (4) Assemblagetijd op kabel (3) Comfort fietser (2) Uiterlijk (1) De rode criteria zijn essentieel voor een goed concept. Wordt hier 1 punt toegekend, dan valt dat concept sowieso af. Criteria Betrouwbaarheid

Weegfactor Concept 1 Concept 2 Concept 3 Concept 4 10

2

3

2

3

Grip

7

2

3

2

3

Massa

6

1

3

2

3

Rendement

5

2

1

2

3

Kosten

4

2

3

1

2

Assemblagetijd

3

1/2

2

1/2

2

Comfort fietser

2

3

2

1

3

Uiterlijk

1

1

1

1

1


19

Bijlage A7: matlabcode aandrijving berekeningen clc clear all close all %variablen m=110 ; %massa fiets + fietser in kg g=9.81 ; %gravitatieconstante r=0.4; %straal trommel in meter lngtetw=12; %lengtetouw in meter mu=0.2; %frictie coefficient optrf=80 ; vrmg=250;

%optimale trapfrequentie in T/m %trapvermogen in watt

mtot=m+40 ; %massa ballast phi=optrf*(2*pi/60); %hoeksnelheid

%benodige trapkracht touwfiets trapmoment=vrmg/phi %trapmoment in N/m tandwielverh=(m*g*r)/trapmoment %overbrengingsverhouding momentfiets=m*g*r %touwfrictie

touwomslg=log(mtot/40)/mu %benodigde omslaghoek in rad touwomwent=touwomslg/(2*pi) %tijd tot boven (fiets)

omtrek=2*r*pi; %omtrek trommel in meter trs=(optrf/60)/tandwielverh; %toeren per sec v=trs*omtrek; %velocity tijdfiets=lngtetw/v %tijd in seconde %tijdintheorie tijdintheorie=m*g*lngtetw/vrmg

Resultaten:

trapmoment =29.8416N/m tandwielverh =14.4644 momentfiets = 431.N/m touwomslg = 6.6 Rad touwomwent =1

tijdfiets = 52 s TUDelft Project “ontwerpwedstrijd” 2012 | WB105 tijdintheorie =52 s

20

Bijlage A8: Berekeningen In deze bijlage worden de berekeningen die in Hoofdstuk 6 zijn beschreven in detail gegeven en toegelicht 𝑇𝑝𝑚 → ℎ𝑜𝑒𝑘𝑠𝑛𝑒𝑙ℎ𝑒𝑖𝑑 = 𝑇𝑝𝑚 ∗ 2𝑝𝑖/60 𝑡𝑟𝑎𝑝𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡 =

250 ℎ𝑜𝑒𝑘𝑠𝑛𝑒𝑙ℎ𝑒𝑖𝑑

𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑓𝑖𝑒𝑡𝑠 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 𝑟

Hierbij staat de m voor de massa van de fietser plus het gewicht van de gehele constructie, als aanname wordt een gewicht genomen van 110 kilo. 80kg voor de fietser en 30kg voor de constructie. Het aandrijfwiel dat gebruikt gaat worden zal een straal r hebben van ongeveer 0.2 meter. Momentfiets komt op een totaal van 215.82 Newtonmeter. Op basis van deze waarde kan een overbrengingsverhouding worden berekend. 𝑜𝑣𝑒𝑟𝑏𝑟𝑒𝑛𝑔𝑖𝑛𝑔𝑠𝑣𝑒𝑟ℎ𝑜𝑢𝑑𝑖𝑛𝑔 =

𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑓𝑖𝑒𝑡𝑠 𝑡𝑟𝑎𝑝𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡

𝑇𝑙𝑜𝑎𝑑 𝜃 = ln � � /𝜇 𝑇ℎ𝑜𝑙𝑑

Waarbij de Tload wordt gegeven door Mfiets+Mfietser+40kg en Thold=40kg. Deze 40kg komt door het gewicht dat onderaan de kabel hangt om de kabel altijd op spanning te houden. De totale omslag hoek, gemeten in het college van touw op staal, moet 360 graden bedragen. Dit komt door de vrij lage 𝜇(𝑤𝑒𝑒𝑟𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑠𝑐𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡). Door middel van een inlegging (een rubberen oppervlak) op het wiel wordt er een hogere 𝜇 bereikt. Hierdoor is er ook een kleinere omslaghoek nodig dan de 360 graden, die in eerste instantie gemeten was. 𝑡𝑖𝑗𝑑 = 𝑚𝑓𝑖𝑒𝑡𝑠 ∗ 𝑔 ∗ 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡𝑒𝑡𝑜𝑢𝑤/𝑃𝑓𝑖𝑒𝑡𝑠𝑒𝑟

Waarbij Pfietser het vermogen van de fietser voorstelt. Om deze berekening te controleren kan met behulp van de trapfrequentie een nieuwe berekening gemaakt worden. Deze gaat als volgt: 𝑂𝑚𝑤𝑡𝑟𝑜𝑚𝑚𝑒𝑙 = 𝑜𝑚𝑤𝑒𝑛𝑡𝑒𝑙𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑝/𝑜𝑣𝑒𝑟𝑏𝑟𝑒𝑛𝑔𝑖𝑛𝑔𝑠𝑣𝑒𝑟ℎ𝑜𝑢𝑑𝑖𝑛𝑔

De tijd is dan gegeven door: afstand snelheid


21

En in combinatie met de omtrek van de trommel en net berekende aantal omw/s kan de snelheid berekent worden met welke de kabelfiets omhoog gaat. wat in dit geval is: lengtetouw snelheid

Zonder wrijvingsverliezen zou hier het zelfde uit moeten komen als de bovenstaande vergelijking. En dat klopt bij beide vergelijkingen komt er ~52sec uit. In bijlage A7 staat een uitgewerkte Matlab® code met daarin de bijbehorende formules en antwoorden.


22

MANAGEMENT RAPPORT DE VERTICALE FIETS

Recommend Documents