Projectverslag Fontys ESCBO Burton modelleren in Siemens NX

Projectverslag Fontys ESCBO Burton modelleren in Siemens NX

Geschreven door: Niek Vorstermans, Stagiair Fontys Automotive Student nummer: 2148413 E-mail: [email protected] Voor: Marcel Dhaenens: docent Fontys Eindhoven E-mail: [email protected] Andere geïnteresseerden in het ESCBO project

1

Summary This report is written by Niek Vorstermans, a fourth year student Automotive Engineering at Fontys University of applied science in Eindhoven. The report is about his internship in the Fontys ESCBO team. In the ESCBO project there are eight teams which compete against each other by building an electric sports car based on a Burton. The project is sponsored by Siemens and it’s goal is to promote technology amongst high school students and encourage them to choose technical continuation study. During this internship a CAD model was created to support the ESCBO team with the packaging of the components in the Burton. The most interesting parts in terms of modeling are reviewed in this report, the parts which are not individually reviewed are quite easy to model with the techniques which are explained in the corresponding learning/research report (source 1). Also some quick simulations where performed to review the torsion stiffness of the chassis in different stages of the design. Almost all the parts in the picture on the face of this report are modeled during this internship. Most of them where quite easy to model, but the following subassemblies and models where a little bit more complex and therefore included in this report:  The battery box  The rear suspension  The front suspension  The Burton body Also some simple simulations are included in which the stiffness of the Burton’s chassis is reviewed during different stages of the design process. But first some information about the setup of the main assembly.

2

Inhoudsopgave Summary ................................................................................................................................................. 2 Inhoudsopgave ........................................................................................................................................ 3 1.

Inleiding ........................................................................................................................................... 4

2.

Opzet CAD model ............................................................................................................................ 5 Opzet model en onderdelenboom .............................................................................................. 5

3.

Modelleren ...................................................................................................................................... 7 3.1. Ontwikkeling accubak ........................................................................................................... 7 3.1.1 Aanpassingen ............................................................................................................... 9 3.2 Achterwielophanging Subaru Justy ..................................................................................... 12 3.3 Voorwielophanging MG A.................................................................................................... 14 3.4 Burton body modelleren ..................................................................................................... 15 3.4.1 3D scan Burton body .................................................................................................. 16

4.

Torsiestijfheid chassis .................................................................................................................... 18 Torsiestijfheid tijdens het ontwikkelproces............................................................................... 18

5.

Conclusie ....................................................................................................................................... 23 Aanbevelingen .............................................................................................................................. 23

6.

Bronnen ......................................................................................................................................... 24

Bijlage 1: 2D tekeningen accubak .......................................................................................................... 25 Bijlage 2: Resultaten Burton body meshen bij verschillende instellingen ............................................ 26 Bijlage 3: De subassemlages en onderdelen ......................................................................................... 29

3

1. Inleiding Dit project is gestart door Siemens Nederland om techniek te promoten en toekomstige studenten aan te sporen om voor techniek te kiezen. Er hebben zich acht teams ingeschreven: een aantal bedrijven en ook een aantal hogescholen. Deze teams krijgen ieder 20 000, - euro ter beschikking van Siemens om een Burton te maken die elektrisch aangedreven wordt. Uiteindelijk zullen deze auto’s met elkaar vergeleken worden en zal er een winnaar uitgekozen worden, hierbij tellen de prestaties van de auto, maar ook de samenwerking met andere teams en knowledgesharing tellen zwaar mee bij de beoordeling. Fontys Eindhoven is één van deze deelnemers en heeft een team uit studenten en begeleiders samengesteld om dit project uit te voeren. Dit verslag gaat over het modelleren van de Fontys ESCBO Burton tijdens het project, hier is één van de studenten fulltime mee bezig geweest. Op deze manier kan de student de mogelijkheden van de NX software van Siemens onderzoeken, er mee leren werken en meteen aantonen dat hij er mee om kan gaan door een bruikbaar CAD model op te zetten. De technieken die gebruikt zijn om het CAD model te maken zijn terug te vinden in het bijbehorende leer/onderzoeksverslag (bron 1). Tijdens deze stageperiode zal het CAD model gebruikt worden om de packaging van alle onderdelen in beeld te brengen, te bespreken, concepten in beeld te brengen tijdens vergaderingen en af en toe is er een simulatie uitgevoerd om te kijken of bepaalde onderdelen sterk en/of stijf genoeg zijn. In dit verslag worden vooral de grotere en de enigszins aparte klussen binnen het modelleren behandeld. Ook worden er enkele simulaties besproken, maar allereerst een stukje over de opzet van de totaalassemblage.

4

2. Opzet CAD model In dit hoofdstuk zal de opzet van het CAD model behandeld worden, hoe is het model opgebouwd en waarom is hiervoor gekozen?

Opzet model en onderdelenboom Bij het assembleren van het model is ernaar gestreefd om een zo gebruikersvriendelijk mogelijke layout te creëren. Het is bijvoorbeeld erg handig als de standaard aanzichten die in de werkbalk van NX gekozen kunnen worden ook een gepast aanzicht van de auto geven.

Figuur 1: totaalassemblage (status van 16-01-2013)

Bij het assembleren van de totaal assemblage is als eerste het chassis vastgezet zodat alle andere onderdelen hierop gepositioneerd konden worden. Het chassis is dus eerst op de gewenste hoogte gezet ten opzichte van de oorsprong zodat bij ieder punt aan de Z coördinaat meteen zichtbaar is hoe hoog het vanaf de grond zit. Eerst was het idee om de oorsprong op de vooras te positioneren met de X richting naar de achterkant van de auto omdat de vooras een handig referentiepunt is om andere onderdelen te positioneren. Uiteindelijk is er toch voor gekozen om de oorsprong op de achteras te positioneren met de X richten naar de voorkant omdat dan de voorkant van de auto dan zichtbaar is als het ISO aanzicht aangeklikt wordt.

Als eerste is de hoogte van de accubak bepaald omdat deze nog onder het chassis geplaatst wordt. Daarna is bepaald wat de gewenste bodemvrijheid is op basis van RDW eisen en het gewenste visuele plaatje en is het chassis op de goede hoogte gezet. Daarna is het chassis in X richting uitgelijnd en ter hoogte van de achteras op de oorsprong gecentreerd. Om een goede indicatie te krijgen waar wel plaats is voor de overige onderdelen en waar niet is daarna de body gemodelleerd (paragraaf 3.4), dit model wijkt nog wel enigszins af van de realiteit maar geeft wel een goede indicatie of er plaats genoeg is of dat het nog even nagemeten moet worden. De interference functie is niet gebruikt om dit te controleren omdat de body opgebouwd is uit surfaces met een dikte van nul. Delen die de body zouden raken zijn aan de buitenkant dus zichtbaar als de body dus op 0%

5

transparantie gezet wordt. Ook is de bodem van de body niet helemaal nagemaakt dus deze gaat in het model dwars door het chassis heen, de interference functie zou dus waarschijnlijk veel meldingen geven waar men in de praktijk geen last van zal hebben. In figuur 1 is goed te zien dat er met verschillende kleuren gewerkt is, dit is bewust gedaan. Ieder teamlid heeft namelijk een eigen kleur gekregen zodat in de tekening meteen zichtbaar is wie er aangesproken moet worden als er vragen zijn over een van de felgekleurde onderdelen. De standaard onderdelen hebben een normale/donkere kleur gekregen net als onderdelen die gekocht zijn en geen aanpassingen meer nodig hebben.

Figuur 2: onderdelenboom in totaalassemblage

De totaalassemblage is opgedeeld in een aantal subassemblages (bijlage 3) om de onderdelenboom enigszins overzichtelijk te houden. Deze subassemblages zijn allemaal vrij logisch genaamd zodat makkelijk te achterhalen is welke onderdelen in deze subassemblage te vinden zijn. Ook deze subassemblages kunnen weer subassemblages bevatten om het geheel een beetje overzichtelijk te houden. In figuur 2 is in het linker gedeelte een deel van de onderdelenboom in NX te zien, in het rechterdeel “uitgevouwde” subassemblage te zien die nog meer subassemblages bevat.

Binnen deze assemblage zijn niet alle onderdelen volledig geconstraint omdat binnen het project nog niemand precies weet waar alle onderdelen definitief geplaatst zullen worden. Om deze reden zijn er alleen constraints aangebracht op plaatsen waar zeker was hoe de onderdelen ten opzichte van elkaar geplaatst zouden worden, bijvoorbeeld het centreren van de accubak onder het chassis in lengterichting.

6

3. Modelleren In dit hoofdstuk worden enkele onderdelen behandeld waar tijdens het project veel aandacht aan besteed is en de onderdelen die op een afwijkende manier gemodelleerd zijn, het gaat hier om:  De accubak  De achterwielophanging  De voorwielophanging  De Burton body

3.1. Ontwikkeling accubak Figuur 3: één Sinopoly accu met Battery Management System Nadat er een definitieve keuze gemaakt was voor 32 Sinopoly accu’s moest hier nog een bak voor ontworpen worden waar deze accu’s in komen te liggen. Deze accu’s wegen bij elkaar ongeveer 185kg, de plaatsing van het accupakket heeft dus een vrij grote invloed op het zwaartepunt. De projectgroep heeft tijdens de start van het project ook ondervonden dat het niet erg makkelijk is om in een Burton te stappen omdat er over de zijkant van de body heen gestapt moet worden. Om deze twee redenen is ervoor gekozen een brede bak te bouwen en deze onder het chassis te hangen zodat deze aan beide kanten buiten de body uitsteekt. Op deze manier wordt een laag zwaartepunt gerealiseerd en kan de bak ook als treeplank gebruikt worden zodat er niet meer zo’n hoge stap gemaakt hoeft te worden om in de auto te komen. In figuur 4 is het eerste ontwerp van de bak te zien. In deze accubak passen 28 accu´s dus blijven er Figuur 4: eerste ontwerp van de accubak nog 6 over, het plan is om er een apart accupakket van te maken en dit als laatste te plaatsen zodat de gewichtsverdeling over de vier wielen hier nog enigszins mee geoptimaliseerd kan worden. De bak waarin de accu´s komen te liggen is zo ontworpen dat hij makkelijk te demonteren is om de accu´s te controleren/vervangen. Er is een stevig vierkant frame aan het chassis vast gelast waar de bak uiteindelijk in komt te hangen. Het frame zorgt voor de stevigheid van zowel de bak als de treeplank.

7

Op beide delen zijn een aantal simulaties uitgevoerd om te controleren of ze wel stevig genoeg zijn en niet te veel vervormen als ze belast worden. In figuur 5 is de opbouw van de simulatie op de bak te zien, de gaten zijn hierbij vastgezet en er is een evenredig verdeelde belasting van 58N x 28 = 1624N op de bodem gezet om het gewicht van de accu’s te simuleren. Figuur 3: opbouw van de simulatie

Ook is in dit figuur te zien dat er bij het eerste concept dwarsbalken in de bak geplaatst waren om de stijfheid van de bak te vergroten. De uitkomst van deze simulatie is vrij voorspelbaar: de grootste verplaatsing vind plaats in het midden van de bak en de hoogste spanningen in het materiaal bij de boutgaten omdat alle kracht door deze kleine contactvlakken opgevangen moet worden. De grootste verplaatsing is 0,5 mm en de hoogste spanning in het materiaal 38,3 MPa deze waarden zijn allebei zeer laag er kan dus nog materiaal verwijderd worden om de bak lichter te maken. Bij het eerste concept was de plaatdikte namelijk 2 mm dit resulteerde in een totaalmassa van 51,5 kg voor de accubak zonder accu’s.

Figuur 4: verplaatsing van accubak

Na deze simulatie is de plaatdikte verminderd naar 1 Figuur 5: spanningsverloop in accubak mm bij de bak en het frame, ook zijn de dwarsliggers in de bak verwijderd. Dit brengt een gewichtsbesparing met zicht mee van ongeveer 52%. Ook is er bij het nieuwe model van de bak rekening gehouden met de moertjes die er in gelast zullen worden. Hierdoor wordt namelijk het oppervlak dat de krachten op moet vangen groter worden en de spanningen in het materiaal in verhouding dus kleiner worden.

Figuur 6: moertjes in model zorgen voor een betere verdeling van de materiaalspanning (max 38,6 MPa)

8

In figuur 9 is de verplaatsing van het nieuwe ontwerp te zien, deze is opgelopen naar 0,53 mm en zoals verwacht vind de grootste verplaatsing weer in het midden plaats. Deze bak kon niet binnen de Fontys geproduceerd worden omdat de zetbank er niet breed genoeg voor is. Daarom is besloten er een werktekening voor te maken (bijlage 1) en het uit te besteden.

Figuur 7: verplaatsing met 1 mm plaatdikte

Ook het frame heeft een aantal simulaties ondergaan voordat het geproduceerd werd. Het moet bestand zijn tegen het gewicht van het accupakket, de bak en het gewicht van de personen die op de treeplank gaan staan. In figuur 10 is de opzet van de simulatie te zien: de rand die vast gelast wordt is vastgezet, het gewicht van het accupakket en de bak zijn aangebracht als een evenredig verdeelde kracht en de personen op de treeplank zijn vervangen door evenredig verdeelde krachten van 1000N per stuk op de langsbalken.

Figuur 8: opzet frame simulatie

In figuur 11 is de vervorming van het frame te zien in belaste situatie, deze is met 0,26mm vrij minimaal en voldoet dus prima. Het is namelijk geen prettig gevoel als een treeplank waarneembaar doorbuigt als men er op gaat staan. Ook de inwendige spanningen zijn niet echt schrikbarend, 22,3MPa in het hoekpunt van het frame is erg laag. Deze lage waarden voor zowel verplaatsing als voor de

Figuur 9: vervorming van het frame tijdens belasting

spanningen zijn erg gunstig omdat later in het project de accubak ook gebruikt is om een scharnierpunt van de achterste draagarmen aan te maken. Bovendien is later in het project besloten om een stuk uit het frame te zagen waar de motor geplaatst is. Helaas is er geen tijd geweest om alles te simuleren omdat de packaging van de onderdelen op dat moment een hogere prioriteit had, samen met de begeleiders zijn dus afwegingen gedaan of de constructie strek en stijf genoeg zou zijn. Figuur 10: spannings "piek" in het frame (max 22,3 MPa)

9

3.1.1 Aanpassingen Tijdens dit project is de accubak nog vaak aangepast. Het begon met het plaatsen van de motor hiervoor moest een hap uit het chassis en uit de accubak gezaagd worden omdat de motor uitgelijnd moest worden ten opzichte van het differentieel (figuur13). Hoger leggen was geen optie omdat dit de rijhoogte van de auto zou veranderen, het differentieel onder een hoek plaatsen ook niet omdat dan het risico te groot zou worden dat het differentieel droog zou lopen.

Figuur 11: plaatsing van de motor door het chassis en de accubak

In figuur 13 is te zien dat er twee accu’s uit de accubak verwijderd zijn om de motor te kunnen plaatsen, ook is er en stuk uit de bak gezaagd en een stuk uit het frame van de accubak. Dit stuk zal wel weer overbrugd worden door de motorsteun maar de constructie zal er niet steviger van worden. Tijdens een bezoek van Vincent Heijnsdijk werdt duidelijk dat de accu’s opgesloten moeten worden om te voorkomen dat ze uitzetten tijdens belasting. Als dit niet gedaan wordt zullen de accu’s na een korte periode kapot zijn. Bij het bestaande ontwerp lagen de accu’s al met de zijkanten tegen elkaar aan en vast met klemmen, dus moest er alleen nog iets bedacht worden om de accu’s in de hoogte richting stevig op te sluiten. Om dit te doen is aan beide kanten van het chassis een plaat op de bovenkant van het frame gemaakt, hiermee is het “loopvlak” van de treeplank ook meteen gemaakt. Aan deze platen worden draadeinden gelast die precies tussen de accu’s door naar beneden gericht zijn en net uit de bodem van de bak zullen steken als deze gemonteerd is. De opstaande rand van de bak wordt een stukje lager gemaakt zodat deze nooit tegen het chassis zal komen te liggen. Op deze manier is het mogelijk de accu’s hard in te klemmen door de vloer van de bak omhoog te schroeven met behulp van de draadeinden.

Figuur 12: motor dwars door het frame gepositioneerd

Figuur 13: de (groene en zwarte) draadeinden steken net door de bodem van de accubak zodat deze omhoog getrokken wordt als er moertjes op gedraaid worden.

10

Met de nieuwe afdekking over de gehele accubak onstond weer een nieuw probleem: Er is geen plaats meer om de bekabeling te leggen. Eerst was het plan om de kabels onder de body over de accu’s te leiden naar de volgende rij accu’s. Dit is nu niet meer zo makkelijk omdat het ook de bedoeling is dat het gehele accupakket, dus ook de kabels tussen de accu’s als één geheel onder de auto vandaan gehaald kan worden met één stroom connector. Gaten boren door de bovenste plaat om de kabel daar doorheen te steken en naar de volgende rij te leiden via een ander gat is dus geen optie, omdat dan de bak aan de kabel blijft hangen bij demontage. Er moest dus een nieuwe Figuur 14: de afstand tussen de rijen accu's moet manier gevonden worden om de kabel binnen de bak overbrugd worden te leggen. Na lang passen en meten in het CAD model is de volgende opstelling tot stand gekomen, er is een accu verwijderd en drie accu´s zijn negentg graden verdraaid zodat de accu´s er naast gelegd kunnen worden. in Figuur 17 is de nieuwe opstelling te zien en is de stroomkring met een rode stippelijn weergegeven.

Figuur 15: de nieuwe lay-out in de accubak

11

3.2 Achterwielophanging Subaru Justy De achterwielophanging is vervangen door de ophanging van een Subaru Justy omdat deze spoorbreedte goed overeen komt met die van de eend, het een onafhankelijke ophanging is en omdat het differentieel de gewenste overbrengverhouding heeft en een versnellingsbak dus overbodig maakt. Het modelleren van onderdelen van de Justy die aan de brug gemonteerd zitten was geen probleem en mogelijk door de technieken uit het leer/onderzoeksverslag (bron 1) te gebruiken. Het modelleren van de brug was dus de grootste uitdaging. Deze is gemodelleerd op basis van de belangrijke punten. Eerst zijn de posities van de boutgaten bepaald en zijn deze vastgelegd in NX, daarna is de rest van de brug er omheen gemodelleerd met behulp van enkele meetpunten. Deze brug zal dus enigszins afwijken van de werkelijkheid, maar hij geeft een goede indicatie van de plaats die hij inneemt en alle boutgaten en ophangpunten zitten op de goede plek.

Figuur 16: de Justy achterwielophanging

Nadat alle onderdelen in NX gezet waren en gepositioneerd in de totaalassemblage zijn er twee concepten met de technisch specialisten van de projectgroep bedacht om de brug vast te maken aan het chassis en in NX gemodelleerd. Deze concepten (figuur 19) zijn daarna aan de hand van deze NX modellen aan de groep voorgelegd, tijdens deze uitleg werd meteen de kracht van een CAD model duidelijk, iedereen kon precies zien wat er bedoeld werd en hoe het allemaal in elkaar zou passen.

Figuur 17: de twee concepten voor montage van de Justy brug

Figuur 18: het bespreken van concepten m.b.v. het CAD model

12

De ondersteuningen van de veren en de schokbrekers is door een van de projectleden zelf in Solidworks gezet omdat er op dat moment erg veel onderdelen binnenkwamen die nog gemodelleerd moesten worden. Deze ondersteuning kon zonder problemen in NX geladen worden en in de totaalassemblage geplaatst worden. Als laatste is er nog een ondersteuning gemodelleerd voor de voorste scharnierpunten van de draagarmen, deze waren al in de praktijk klaar, dus konden ze gewoon nagemaakt worden. In figuur 21 is te zien dat er nog geen fusee en ook geen wiel Figuur 19: huidige status van de aan de ophanging zit. Hier is helaas niet genoeg tijd voor geweest, maar dit heeft ook weinig toegevoegde waarde voor achterwielophanging het project omdat de ophanging verder gekopieerd is van de Justy kan men er dus vanuit gaan dat het fusee nog steeds past, dit is in de praktijk ook al gebleken. Mocht er na het afronden van dit verslag nog tijd over zijn, dan kan hier nog altijd aan gewerkt worden. Ook zouden de draagarmen in het model nog ingekort moeten worden omdat dit nodig is om binnen de body te blijven. In de praktijk begint het project inmiddels ook al vorderingen te maken, in figuur 22 zijn het CAD model en het chassis in de praktijk onder dezelfde hoek te zien en is duidelijk te zien hoeveel ze op elkaar lijken.

Figuur 20: vergelijking tussen praktijk en CAD model

13

3.3 Voorwielophanging MG A De voorwielophanging van de Burton zal vervangen worden door een voorwielophanging van een MG A. Hier is voor gekozen omdat bij deze ophanging alle componenten aan één brug gemonteerd zitten en omdat de spoorbreedte heel dicht in de buurt zit van die van de Burton. De brug waar alle onderdelen aan zitten bevat net als de body complexe radii en is dus weer in de Shape Studio applicatie gemodelleerd, dit keer is ervoor gekozen om een andere aanpak te proberen.

Figuur 21: MG A voorwielophanging

Bij dit model is uit gegaan van coördinaten, eerst is de brug vastgezet op een vlakke tafel en is er een nulpunt gedefinieerd het midden van de brug ter hoogte van de montagevlakken voor de schokbrekers om vanuit te meten. Daarna zijn er een aantal punten op de brug getekend op plaatsen waar radii zitten. Deze punten zijn genummerd en daarna zijn de coördinaten ten opzichte van het gedefinieerde nulpunt genoteerd.

Figuur 22: MG brug opmeten

In figuur 25 zijn enkele gemeten coördinaten te zien, deze groep is voor een contourlijn van de brug en worden gebruikt om een studio spline mee te definiëren. Uiteindelijk zijn deze splines omgezet naar surfaces zoals in het leer/onderzoeksrapport (bron 1) uitgelegd wordt. Op deze manier is de helft van de brug opgemeten, wel is er af en toe een coördinaat aangepast omdat de Figuur 23: gemeten coördinaten omzetten naar gemeten positie soms erg onwaarschijnlijk was en een studio spline rare vorm op zou leveren. Als laatste is het geheel gespiegeld om een volledige brug te vormen. Al met al lijkt dit niet zo’n goede manier om vormen met complexe geometrie op te meten aangezien er een aantal coördinaten aangepast moesten worden. Het resultaat van de brug is te zien in figuur 26 Verder zijn alle aanwezige aanbouwdelen ook in NX gezet en is er een versteviging om de brug aan het chassis te maken gemodelleerd in overleg met een van de technische specialisten uit het team. Er is voor gekozen om een soortgelijke versteviging te maken als bij de achterbrug omdat dit vrij simpel en effectief is. Figuur 24: de MG brug met aanbouwdelen en versteviging

14

3.4 Burton body modelleren De Body van de Burton is gemodelleerd in de Shape studio applicatie, deze applicatie is namelijk erg handig als er bolle of holle vlakken gemodelleerd moeten worden. Eerst is geprobeerd om de body op te meten met een rolmaat en aan de hand van deze gegevens de body te modeleren. Dit bleek echter veel te veel werk te zijn om te kijken of alle onderdelen in de body zouden passen, daarom is ervoor gekozen om de body te modelleren op basis van foto’s van het voor_ achter_ en linkeraanzicht. Omdat de Fontys Body nog niet in elkaar gezet kon worden is Burton gevraagd of ze plaatjes hebben van exacte aanzichten van de body. Burton stuurde de volgende aanzichten door: Op basis van deze aanzichten is een begin gemaakt met het modelleren van de body, maar al snel bleek dat deze schetsen behoorlijk afwijken van de werkelijkheid. Er zijn een paar maten nagemeten in de body en vergeleken met de schetsen, daarna is besloten om te stoppen met het modelleren op basis van deze schetsen.

Figuur 25: Door Burton aangeleverde aanzichten

Op het internet is er gezocht naar meer geschikte plaatjes, eigenlijk zijn foto’s niet helemaal geschikt voor dit doel omdat de aanzichten dan altijd uit verband getrokken zijn. Voor veel auto’s zijn er wel geschikte afbeeldingen te vinden als er gezocht wordt naar blueprints via Google. Helaas zijn deze voor de Burton niet te vinden. Wel zijn er een aantal foto’s van aanzichten van de Burton Electric te vinden dus zijn deze gebruikt om het model van de body op te baseren.

Figuur 26: Zijaanzicht van de Burton Electric

In de afbeelding hiernaast is te zien dat de body opgebouwd is uit een aantal surfaces. Waarschijnlijk had het veel eenvoudiger gekund met minder surfaces, maar in het begin was er nog weinig ervaring binnen de Shape studio applicatie dus is er steeds een klein stukje gemaakt. Ook is in de afbeelding te zien dat maar de helft van de body Figuur 27: De body is opgedeeld in een gemodelleerd is, deze helft is daarna gespiegeld om de body aantal surfaces compleet te maken. Als laatste is de body nog aangepast via de Scale functie om de body zoveel mogelijk met de realiteit overeen te laten komen. Uiteindelijk wijkt het model van de body nog behoorlijk af van de werkelijke body, maar hij geeft wel een behoorlijke richtlijn waar de body komt te zitten en dus geen andere onderdelen gepositioneerd kunnen worden. Ook zijn er nog twee concept modellen gemaakt voor op Facebook omdat het promoten van techniek het hoofddoel van dit project is. Deze modellen zijn dus puur voor hun amusementswaarde gemaakt.

Figuur 30: Concept body oktober 2012

Figuur 31: concept december 2012

15

3.4.1 3D scan Burton body Om er zeker van te zijn dat alle onderdelen binnen de Burton body passen is een extern bedrijf benaderd om een 3D scan te maken van de body. Om de body in te scannen is deze op de grond gezet met de losse spatborden er naast. De spatborden zijn onder verschillende hoeken neergelegd ten opzichte van de scan apparatuur om ervoor te zorgen dat alle hoeken gescand worden. De scanner is een paar keer op een andere plaats gezet om er zeker van te zijn dat de body vanuit alle hoeken ingescand wordt en er zoveel mogelijk geometrie van de body vastgelegd wordt. De scan levert een puntenwolk op van alle objecten in de omgeving die gescand wordt. Deze puntenwolk is door de leverancier bijgewerkt zodat alleen de punten van de body overgebleven zijn. De bestanden die aangeleverd werden konden niet met NX geopend worden, steeds verscheen er een foutmelding waarin stond dat het bestand het verkeerde formaat had.

Figuur 28: het inscannen van de body

Om dit op te lossen is geprobeerd de puntenwolk met SolidWorks te openen en onder een ander formaat op te slaan. Solidworks kon de bestanden wel openen en gaf de wolk wel weer. Dit bestand werd opgeslagen in alle formaten die door NX geopend kunnen worden. Helaas werd de puntenwolk of andere geometrie nog steeds niet Figuur 29: de aangeleverde puntenwolk weergegeven in NX ondanks dat de bestanden nu wel geopend konden worden. Na deze tegenslag is besloten om in SolidWorks verder te werken en te proberen om een surface of body te maken zodat deze geometrie wel zichtbaar zou zijn in NX en hiermee verder gewerkt kon worden. Na het kijken van een tutorial op Youtube waarin een simpele puntenwolk van een kubus omgezet wordt in een body (bron 13) kon hiermee begonnen worden. Eerst moest er een mesh gemaakt worden van de puntenwolk, de eerste keer is geprobeerd om alle punten hiervoor te gebruiken. Het meshen Figuur 30: het meshen van de puntenwolk duurde heel erg lang en toen de balk voor ongeveer 65% gevuld (100%) was bleef hij een tijdje hangen en daarna was hij in een keer klaar. De uitkomst was vrij teleurstellend, de puntenwolk was maar voor een gedeelte verwerkt en niet geschikt om verder mee te werken.

Figuur 31: het resultaat bij 100%

16

Daarna zijn er nog ongeveer acht pogingen gedaan om de body wat completer te meshen door het percentage van punten die gebruikt worden te variëren. Uiteindelijk bleek dat het gebruiken van veel minder punten een completer resultaat oplevert. Uiteindelijk is er maar 84% van de puntenwolk gebruikt om het beste resultaat te krijgen, de resultaten van de andere pogingen zijn te vinden in bijlage 2. Het resultaat is nog steeds niet zichtbaar in NX omdat het geen geometrie bevat, er zou dus nog eerst een surface van Figuur 32: mesh bij 84% gebruik van de puntenwolk gemaakt moeten worden via de surface wizard. Net als bij het meshen van de gehele puntenwolk duurde dit erg lang, maar nu werd het niet afgemaakt en stopte SolidWorks tijdens deze bewerking. Dit is met verschillende meshes geprobeerd en op verschillende computers, iedere keer met hetzelfde (geen) resultaat. Om de puntenwolk toch in NX te krijgen is op internet gezocht naar soortgelijke problemen en uiteindelijk werd via de site www.eng-tips.com (bron 14) geadviseerd om een trial versie van het programma Rhinoceros te downloaden en het bestand om te zetten naar een leesbaar formaat voor NX. Via dit programma is het uiteindelijk gelukt om de puntenwolk zichtbaar te maken in NX.

Figuur 33: Rhinoceros

Het werken met deze puntenwolk in NX valt helaas niet mee, het idee was eerst om er een surface van te maken met de optie maar hiermee kunnen alleen maar rechthoekige surfaces gemaakt worden. Ook is de puntenwolk in NX niet zo overzichtelijk als in SolidWorks omdat NX punten als kruizen weergeeft. Wegens tijdgebrek is dit project helaas niet meer verder uitgewerkt. Figuur 34: weergave van puntenwolk in NX

17

4. Torsiestijfheid chassis In dit hoofdstuk worden een aantal simulaties behandeld die uitgevoerd zijn op een simpel model van het chassis, in dit model is zoveel mogelijk complexe geometrie die niets toevoegt aan de stijfheid weggelaten om de rekentijd kort te houden.

Torsiestijfheid tijdens het ontwikkelproces Omdat er een gat in het chassis gezaagd moest worden waar de elektromotor geplaatst is en omdat er een andere ophanging aan het chassis zal worden gebouwd zijn er een aantal simulaties uitgevoerd om de torsiestijfheid van het chassis te controleren. De simulatie is vrij simpel en bij iedere aanpassing is alleen de geometrie van het model veranderd, de krachten en constraints zijn hetzelfde gebleven. Zoals op de afbeelding te zien is wordt de voorkant vastgezet en wordt er op het uiteinde van iedere langsbalk een kracht gezet zodat er een torsiebelasting op het chassis komt te staan. De krachten hebben een grootte van 1000 Newton per stuk. Tijdens het uitvoeren van deze simulaties is na iedere simulatie weer een aanpassing gemaakt en een nieuwe simulatie om inzicht te krijgen in de effecten van iedere verandering die aan het chassis gedaan wordt. Op deze manier is langzaam naar het uiteindelijke ontwerp toegewerkt.

Figuur 35: krachten en constraints op chassis

Als eerste is een simulatie gedaan op het originele chassis zonder de originele achterbrug om te onderzoeken waar de zwakke punten van het chassis zitten. De uitkomst hiervan was niet echt verrassend; de grootste verplaatsing was uiteraard aan de uiteinden van de langsbalken en de hoogste spanningen waren te vinden op de plaatsen waar de langsbalken overgaan naar het bredere gedeelte van het chassis.

Figuur 40: spanningsverloop in het chassis: hoogste spanning: 126N/mm^2

Figuur 41: vervorming van het chassis: grootste verplaatsing: 6,7mm

18

Daarna is er een simulatie met de originele brug erop gedaan om te kijken of deze veel invloed heeft op de torsiestijfheid. Vooraf is al te voorspellen dat de invloed hiervan relatief groot is omdat de brug vooral hoogte in de sectiedoorsnede toevoegt en volgens de formule voor het traagheidsmoment van een balk ( de hoogte tot de derde macht gebruikt wordt heeft een klein verschil in hoogte dus grote gevolgen. Dit is ook terug te zien in de resultaten van de simulatie.

Figuur 42: spanningsverloop met originele brug er op: hoogste spanning: 148 N/mm^2

Figuur 43: vervorming met originele brug erop: grootste verplaatsing: 5,3mm

Zoals te zien is in het volgende plaatje is met het toevoegen van de brug het buigpunt van het chassis eigenlijk verschoven. Tot de brug is het chassis vrij weinig vervormd en is er dus weinig kleurverschil in de simulatie, achter de brug begint het pas echt snel te vervormen wat goed te zien is aan het kleurverloop. Figuur 44: de vervorming van het chassis neemt pas echt snel toe achter de brug

19

Het toevoegen van de brug vermindert de grootste verplaatsing met 1,4mm, dit komt omdat nu de arm tot het buigpunt een stukje korter is geworden en er dus meer kracht nodig is om dezelfde verplaatsing te krijgen aan de uiteinden van de langsbalken. Om dit te controleren is dit handmatig nog even nagerekend: Volgens de formule uit de afbeelding hiernaast is de maximale verplaatsing van een ingeklemde balk te berekenen met de formule:

Met: P = de kracht in Newton L = de lengte van de balk E = de E-modulus van het materiaal I = het traagheidsmoment van de balk

Figuur 45: formule om verplaatsing van een balk te berekenen (Hibbeler)

Bij deze formule wordt er vanuit gegaan dat de balk oneindig stijf ingeklemd is en de verplaatsing op dat punt dus nul is. Bij de

Figuur 46: verplaatsing zonder brug bij "buigpunt" is 1,2mm

simulatie is dat niet het geval dus moeten de maximale verplaatsingen gecorrigeerd worden door de verplaatsing ter hoogte van de “inklemming”er af te trekken. De gecorrigeerde maximale verplaatsingen zijn dus: Zonder brug: 6,7mm-1,2mm=5,5mm

Figuur 47: verplaatsing met brug bij "buigpunt" is 1,4mm

Met brug: 5,3mm-1,4mm=3,9mm Volgens de theorie is dus: ( (

Figuur 48: afstand tot brug

De kracht, E-modulus en het traagheidsmoment blijven hetzelfde en worden dus tegen elkaar weg gedeeld worden, dus kan de formule vereenvoudigd worden tot: ( (

Figuur 49: afstand tot radius in chassis

Dit komt dus goed overeen met de simulatie.

20

Daarna is er een simulatie uitgevoerd waarbij het gat voor de motor in het model verwerkt is. Dit gat zit niet precies in het midden van het chassis, maar een beetje naar links omdat het differentieel in de achterwielophanging die gebruikt wordt ook een beetje naar links geplaatst is. De verwachting is daarom dat vanaf nu de grootste verplaatsing en de grootste materiaalspanningen aan de linkerkant van het chassis plaats zullen vinden. De vraag is alleen of de grootste spanning in het hoekpunt van het gat plaatsvindt of nog steeds in het hoekpunt van de brug zoals eerder ook het geval was. Het nieuwe ingelaste deel bij het motorgat is een Uprofiel met een dikte van 2mm dit dubbel zo dik als het originele materiaal waarvan het chassis gemaakt is. Ook is aan het kleurenverloop in figuur 42 te zien dat de plaats waar het gat gemaakt wordt net buiten het gebied valt waar de hogere spanningen zich bevinden. Met deze twee gegevens is te verklaren dat de hoogste spanning nog steeds aan het uiteinde van de brug te vinden is.

Figuur 50: spanningsverloop met het gat in het chassis (max: 171N/mm^2)

Figuur 51: verplaatsing met het gat in het chassis (max: 6,3mm)

Ook is er een VLS getekend van deze situatie om te kijken wat voor reactiekrachten er plaatsvinden. Hierin is ieder balkdeel vereenvoudigd en apart benaderd, steeds is ervoor gezorgd dat de balk in evenwicht is als alle krachten en momenten bepaald zijn. Uit dit vls blijkt dat de krachten en momenten die op de langsbalken komen te staande balk in het X-Z vlak belasten. Om tot een stijvere constructie te komen zal het traagheidsmoment van de doorsnede van de balken vergroot moeten worden.

Figuur 52: VLS met de reactiekrachten in het chassis

De formule voor het traagheidsmoment van een balk met een rechthoekige doorsnede is:

Met:

= de breedte van de doorsnede = de hoogte van de doorsnede

Voor holle balken zoals in deze situatie moet het traagheidsmoment van het “lege” gedeelte ook bepaald worden en van de uitkomst afgetrokken worden. Uit de formule is af te leiden dat een verhoging van de doorsnede het meeste effect heeft en dus de meest voor de hand liggende versteviging is (de Z- richting). Met deze gegevens is besloten verstevigingen te maken vanuit de originele brug naar de brug van de Justy en daarna schuin omlaag, helemaal naar achter een verhoging aanbrengen zou problemen opleveren met de body van de Burton dus is er achter nog een stuk origineel gelaten.

21

Figuur 53: spanningsverloop met verstevigingen (max: 172N/mm^2)

Figuur 54: verplaatsing met verstevigingen (max: 3,1mm)

In figuur 53 is te zien dat de hoogste materiaalspanning te vinden is aan het einde van de versteviging, dit is best logisch omdat daar de hoogte van de balk kleiner is en omdat het materiaal er dunner is. Wel opvallend is dat de hoogste spanning nu naar de rechterkant “versprongen” is terwijl aan deze kant toch meer materiaal zit. Waarschijnlijk komt dit omdat het “zwakke” uiteinde hier aan een wat stijvere constructie vast zit terwijl het aan de andere kant wat flexibeler is en dus ook wat mee verplaatst. Uiteindelijk is er dus een stijver chassis gedefinieerd (2,2mm minder verplaatsing) waarin wel hogere materiaalspanningen plaatsvinden (van 148 naar 172N/mm²) bij dezelfde belastingen. Deze hogere materiaalspanningen zouden beperkt kunnen worden door de langsbalken helemaal tot achteraan te verhogen, ook zouden de verhogingen voor de brug verlengd kunnen worden voor een betere verdeling van de materiaalspanningen. Na overleg binnen het project team is er toch voor gekozen om het bij het huidige ontwerp te laten.

22

5. Conclusie In de afgelopen 20 weken is het CAD model van de Fontys ESCBO Burton grotendeels gerealiseerd. Het model is veel gebruikt om te bepalen wat wel en wat niet in elkaar zou passen en om concepten in beeld te brengen zodat deze makkelijk te bespreken zijn met groepsgenoten. Ook zijn er modellen gebruikt om bouwtekeningen te maken voor in de eigen werkplaats en voor werk dat uitbesteed is. Dankzij het CAD model zijn er veel problemen ontdekt voordat de concepten in de praktijk gebouwd werden, op deze manier konden de problemen eerst opgelost worden om daarna de bouw in de praktijk te starten. Aan de hand van een aantal simpele simulaties in NX en de theorie uit het sterkteleer boek is bepaald hoe de achterwielophanging verstevigd moest worden. Ook kan het CAD model gebruikt worden om de groep opvolgers een goed beeld te geven van de plannen die door het huidige team gemaakt zijn. Dat het CAD model nog niet helemaal compleet is zou geen grote problemen op mogen leveren omdat er zorgvuldig gekeken is welke onderdelen de hoogste prioriteit hadden om vast te leggen in het CAD model voor de volgende groep. De onderdelen die nog ontbreken zijn voornamelijk aanbouwdelen waarvan de positie vrij makkelijk te bepalen is of onderdelen waarvan de positie niet erg veel invloed op het resultaat zal hebben.

Aanbevelingen Mocht men de behoefte hebben om het CAD model compleet te maken, dan kunnen de volgende acties nog ondernomen worden:  Achterwielophanging: wielen, fusees,remmerij etc., draagarmen aanpassen  Voorwielophanging: wielen, fusees, remmerij, stuurinrichting, versteviging aanpassen aan stuurinrichting etc., evt. sterkte/stijfheidssimulatie verbinding brug en chassis  Burton body scan verwerken en plaatsen  Koelsysteem leidingen opnieuw plaatsen i.v.m. interference  Eigen inbreng in model verwerken. Het is wel aan te raden om met de NX software verder te werken, omdat dan de opbouw van de parts bewaard blijft en deze makkelijk aan te passen is. Ook is het overzetten naar een ander CAD programma niet altijd even makkelijk.

23

6. Bronnen 1. Leer/onderzoeksverslag Fontys ESCBO Burton modelleren in NX Door: Niek Vorstermans ([email protected]) 2. NX cursus: Basic Modeling http://www.plm.automation.siemens.com/nl_nl/support/trainingen/overzicht/nx/nx-basicmodeling.shtml 3. NX cursus: Assemblies http://www.plm.automation.siemens.com/nl_nl/support/trainingen/overzicht/nx/nxassemblies-shorttrack-2.shtml 4. NX cursus: Drafting http://www.plm.automation.siemens.com/nl_nl/support/trainingen/overzicht/nx/nxdrafting-shorttrack.shtml 5. HEC cursus: Hypermesh Introduction http://www.altairhyperworks.com/TrainingCourseDesc.aspx?class_id=91&AspxAutoDetectC ookieSupport=1 6. NX CAST 7. NX Documentation 8. Unigraphics NX 4 Modellierung von Freiformflächen Door: Walter Hogger (2006) ISBN-10: 3-446-40567-4 ISBN-13: 978-3-446-40567-7 9. Sterkteleer, tweede editie Door: R.C. Hibbeler ISBN13: 9789043010795 10. Wolfgang Walden’s Youtube kanaal http://www.youtube.com/user/netwulf61 11. http://nxtutorials.com/category/tutorials/ 12. http://www.eng-tips.com/threadminder.cfm?pid=561 13. http://www.youtube.com/watch?v=GrVZR1cldu4 14. http://www.eng-tips.com/viewthread.cfm?qid=297089

24

Bijlage 1: 2D tekeningen accubak

25

Bijlage 2: Resultaten Burton body meshen bij verschillende instellingen Bij 94% point reduction

Bij 55% point reduction

26

Bij 97% point reduction

Bij 63% point reduction

27

BIj 70% point reduction

Bij 80% point reduction

28

Bijlage 3: De subassemlages en onderdelen

29

30

31

32

33

34

35