VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE DESIGN

KONSTRUKCE VOZIDLA NA ŠLAPACÍ POHON

DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS

AUTOR PRÁCE AUTHOR BRNO 2007

PETR VÍTEK

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE DESIGN

KONSTRUKCE VOZIDLA NA ŠLAPACÍ POHON DESIGN AND CONSTRUCTION OF PEDAL VEHICLE

DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS

AUTOR PRÁCE

PETR VÍTEK

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2007

ING. JAN BRANDEJS, CSc.

ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE

Název práce:

Konstrukce vozidla na šlapací pohon

Název práce anglicky:

Design of pedal vehicle

Vedoucí:

Ing. Jan Brandejs, CSc.

Ústav:

Ústav konstruování

Typ práce:

diplomová práce

Cíle, kterých má být dosaženo: Cílem diplomové práce je návrh řešení vozidla na šlapací pohon pro 3 až 4 osoby s pohonem od všech pasažérů s důrazem na jednoduchost, ergonomii, design a možnost využití běžně prodávaných komponent. Diplomová práce musí obsahovat: 1. Analýzu různých variant konstrukčního uspořádání sedadel, řízení, náprav a pohonu. 2. Návrh konstrukce vozidla. 3. Určení zátěžových parametrů, návrh převodů a brzd. 4. Výpočet MKP svařovaného rámu. 5. Designérský návrh částečné kapotáže. Charakteristika problematiky úkolu: Tříkolky na šlapací pohon se používají v asijských zemích k dopravě pasažérů v přeplněných městských aglomeracích. Tato vozidla jsou poháněna silou řidiče a nejsou určena ke sportovním ani rekreačním účelům. Základní literární prameny: Wilson, G. W; Gordon, D. Bicycling Science. 3. vydání, Cambridge 2004.

ANOTACE

ANOTACE Diplomová práce se zabývá návrhem vozidla na lidský pohon. Vlastní konstrukci předcházela široká analýza dané problematiky, ze které vznikly čtyři rozdílné koncepty a objektivně byla vybrána výsledná varianta. Ta je rozpracována do detailního 3D modelu, vytvořeném v software Autodesk Inventor. Důraz je kladen na ergonomii, jednoduchost a využití cyklistických komponentů. Konstrukce je podpořená analytickými i MKP výpočty. Vznikl tak návrh tří až čtyřmístného ekologického dopravního prostředku, které svým provozem nezatěžuje životní prostředí. Vozidlo je určeno především pro společné cestování v malé skupině lidí.

KLÍČOVÁ SLOVA Cyklistika, silniční doprava, HPV, ekologická doprava, sport, volný čas

ANNOTATION Design of a human powered vehicle is the aim of this diploma thesis. Wide analysis has preceded design process and four concepts were devised. The final one was chosen by objective judgment. It is elaborated into detailed 3D model in Autodesk Inventor software. The accent is putted on ergonomics, simplicity and use of cycling components. The design is suported by analytic and FEM computations. In this way, the design of a three- four seats earth-friendly vehicle was made. The vehicle is meant for joint traveling in a small group of people.

KEY WORDS Bicycling, road transport, human powered vehicle, earth-friendly transport, sport, free time

strana

7

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE VÍTEK, P. Konstrukce vozidla na šlapací pohon. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2006. 69 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Jan Brandejs, CSc.

strana

8

PROHLÁŠENÍ

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že předložená diplomová práce je původní a že jsem ji vypracoval samostatně pod vedením Ing. Jana Brandejse, CSc. Dále prohlašuji, že seznam použitých zdrojů a literatury je úplný a že jsem neporušil autorská práva ve smyslu zákona č.121/2000 Sb. (Zákon o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů).

V Brně 12.10.2007

…………………… Petr Vítek

strana

9

PODĚKOVÁNÍ

PODĚKOVÁNÍ Rád bych na tomto místě poděkoval Ing. Janu Brandejsovi CSc. za podnětné připomínky a vedení při této práci. Dále rodině za podporu, „Blbečkům“ za inspiraci a všem ostatním, kdo mě při práci ovlivnili.

strana

10

OBSAH

OBSAH ÚVOD ........................................................................................................................13 1 HISTORICKÁ ANALÝZA .............................................................................14 1.1 Historie pozemní dopravy ..........................................................................14 1.2 Vynález kola ...............................................................................................14 1.3 Lehokolo.....................................................................................................16 2 SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÍ- HPV................................................................17 2.1 Moderní HPV .............................................................................................17 2.1.1 Srovnání lehokola s klasickým kolem ................................................18 2.2 Jednomístné HPV .......................................................................................18 2.3 Dvoumístné HPV........................................................................................19 2.4 Vícemístné HPV .........................................................................................20 2.5 Příslušenství................................................................................................20 3 ANALÝZA PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ ...............................................................21 3.1 Legislativa ..................................................................................................21 3.2 Přístupy k řešení .........................................................................................21 3.2.1 Ergonomie ..........................................................................................21 3.2.2 Rozmístění sedadel .............................................................................22 3.2.3 Počet kol .............................................................................................23 3.2.4 Zavěšení kol........................................................................................23 3.2.5 Pružení ................................................................................................25 3.2.6 Řízení..................................................................................................25 3.2.7 Brzdy ..................................................................................................25 3.2.8 Převody...............................................................................................25 3.3 Varianty řešení............................................................................................25 3.3.1 Varianta A...........................................................................................25 3.3.2 Varianta B...........................................................................................26 3.3.3 Varianta C...........................................................................................26 3.3.4 Varianta D...........................................................................................27 3.4 Zhodnocení variant .....................................................................................27 3.5 Výsledný koncept .......................................................................................28 4 NÁVRH VLASTNÍ KONSTRUKCE .............................................................29 4.1 Rám.............................................................................................................29 4.1.1 Materiál...............................................................................................30 4.1.2 Geometrie ...........................................................................................30 4.1.3 MKP výpočet......................................................................................30 4.2 Převodové ústrojí........................................................................................34 4.2.1 Primární převody ................................................................................34 4.2.2 Společná hřídel ...................................................................................35 4.2.3 Sekundární převod..............................................................................37 4.2.4 Zatížení jednotlivých hřídelí...............................................................39 4.3 Podvozek ....................................................................................................39 4.3.1 Přední vidlice......................................................................................39 4.3.2 Zadní náprava .....................................................................................40 4.4 Řízení..........................................................................................................46 4.5 Sedadla .......................................................................................................47 4.5.1 Hlavní sedadla ....................................................................................47

strana

11

OBSAH

4.5.2 Příležitostné sedadlo .......................................................................... 49 4.6 Brzdy.......................................................................................................... 50 4.6.1 Hlavní brzdy ...................................................................................... 50 4.6.2 Parkovací brzda.................................................................................. 51 4.7 Zavazadlový prostor .................................................................................. 52 4.8 Osvětlení a reflexní prvky.......................................................................... 53 4.9 Příslušenství ............................................................................................... 53 4.9.1 Jednoduché orámování řetězu............................................................ 54 4.9.2 Kryty převodů .................................................................................... 55 4.9.3 Kompletní kapotáž............................................................................. 55 4.10 Finanční rozvaha........................................................................................ 56 ZÁVĚR ..................................................................................................................... 58 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ........................................................................ 59 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ ........................................... 61 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ .......................................................................... 64 SEZNAM TABULEK.............................................................................................. 66 PŘÍLOHY................................................................................................................. 67 A. Technické požadavky na jízdní kola, potahová vozidla a ruční vozíky ........ 67

strana

12

ÚVOD

ÚVOD Jízdní kolo bylo prvním dopravním prostředkem, poháněným nejsilnějšími lidskými svaly - svaly nohou. Historicky se vyvíjelo a vzniklo mnoho konstrukčních řešení vhodných pro konkrétní účely. Vždy existovala i kola pro více osob, ale byla stranou hlavního zájmu a konstrukční řešení pro více než dvě osoby jsou vzácností. I v současnosti, kdy stále více lidí vyhledává aktivní trávení volného času, outdoorové aktivity zažívají boom a rekreační střediska nabízejí čím dál více sportovního vyžití, je nabídka vícemístných lidskou silou poháněných vozidel velmi omezená. Pokud k těmto předpokladům přičteme i rozšiřující se zájem veřejnosti o ekologické přístupy v dopravě, je návrh takového vozidla velmi aktuální výzvou. Cílem je navrhnout konstrukci vozidla na šlapací pohon pro tři až čtyři osoby s pohonem od všech pasažérů s důrazem na jednoduchost a ergonomii. Práce má obsahovat analýzu různých variant konstrukčního řešení, vlastní konstrukci vozidla, návrh převodů a brzd, MKP výpočet rámu a designérský návrh částečné kapotáže. V úvodu přiblížíme historický vývoj a současná řešení v oblasti HPV. Dále se zaměříme na hlavní konstrukční celky a různé přístupy k jejich řešení. Výsledkem této analýzy jsou čtyři rozdílné varianty řešení. Objektivní zhodnocení pomocí váhových kritérií vybere nejvhodnější koncept. Vlastní návrh konstrukce je popsán ve čtvrté kapitole. Text je doplněn řadou obrázků, které přibližují 3D model sestavy a jednotlivých součástí. Nechybí pevnostní analýzy hlavních prvků a závěr nabídne designérské návrhy kapotáže. Součástí práce je 3D model vozidla (v software Autodesk Inventor) a MKP výpočty vybraných součástí (v software Ansys Workbanch).

strana

13

HISTORICKÁ ANALÝZA

1 HISTORICKÁ ANALÝZA Kapitola přináší stručný přehled vývoje pozemní dopravy od jejího počátku k vynálezu bicyklu a jeho technického vývoje.

1.1 Historie pozemní dopravy Lidským nejpřirozenějším pohybem je chůze. Ale s potřebou zefektivnění přepravy jsou vytvářeny první dopravní prostředky. Nejjednodušším a nejstarším jsou saně. První zmínky o dřevěných saních pocházejí ze severní Evropy a datují se 7000 let p. n. l. S domestikací dobytka je umožněno jejich zapřažení za voly a přepravovat tak těžší náklady. Kvalitativním posunem vpřed bylo použití kol (Mezopotámie, 3000 let p. n. l.). Nejprve se jednalo o těžký vůz se dvěma páry plných dřevěných kol. Později, 2000 let p. n. l., v souvislosti s použitím koní vzniká, také v Mezopotámii, lehký válečnický vůz. Jeho jediný pár kol je tvořen obručí z ohýbaného dřeva umístěného pomocí paprsků k ose. Následný vývoj se týkal především výstavby silnic. Ty byly budovány v Římském impériu, aby umožnily kvalitnější a rychlejší spojení centra s odlehlými oblastmi. Během celého středověku se pozemní doprava neposunula dále, než kam dospěla na vrcholu starověku. Technickým pokrokem v dopravě se stal až kočár (16. století). Čtyř kolový vůz tažen koňmi, jehož kabina je vůči podvozku odpružena. Tak je dosaženo pohodlí při použití dřevěných paprskovitých kol s ocelovou obručí. Odpružení je řešeno pomocí kožených pásů, plochých či eliptických kovových pružin. Éra kočárů končí s nástupem parního stroje v dopravě a definitivně s použitím spalovacího motoru [11]. Zvířecí síla je v dopravě, během 19. a 20. století, v technicky vyspělých zemích světa nahrazena silou stroje.

1.2 Vynález kola Kolo, svou konstrukcí velmi podobné těm současným, pravděpodobně navrhl už Leonardo da Vinci v roce 1493. Podle tohoto náčrtu mělo rám s řídítky, dvě paprskovitá kola, sedlo a pohon na zadní kolo pomocí řetězu nebo řemenu (obrázek 1.1). O skutečném původu této skicy se ale vedou spory [12].

Obr. 1.1 Skica kola od Leonarda da Vinciho (http://brunelleschi.imss.fi.it)

Myšlenka na sestrojení jednoduchého dopravního prostředku se znovu prosadila v 19. století. Za prvního přímého předchůdce jízdních kol se považuje drezína

strana

14


(obrázek 1.2), vytvořená v Německu Baronem Karl von Draisem v roce 1817. Jedná se o jednoduchou konstrukci dvou kol a dřevěného rámu. Přední kolo je otočné kolem vertikální osy, aby bylo umožněno zatáčení. Jezdec na ní seděl obkročmo a odrážel se nohama.

Obr. 1.2 Drezína Barona Karla von Raise (www.eidee.de)

Další vývoj spočíval v použití klik s pedály v ose předního kola. To realizoval Francouz Pierre Michaux v 60. letech 19. století. Svůj stroj nazval velocipéd a oproti drezíně se jednalo o značný krok kupředu. Převod byl přímý, tedy jedna otočka kliky odpovídala jedné otočce kola. Přední kolo postupně zvětšovalo a velocipéd získal svůj charakteristický tvar i název „vysoké kolo“ (obrázek 1.3). Toto kolo však mělo i své nevýhody, především špatnou stabilitu.

Obr. 1.3 Vysoké kolo (www.ssplprints.com)

Zmíněné nevýhody vedly k sestrojení nízkého kola, někdy také nazývaného bezpečný bicykl nebo „rover“ (obrázek 1.4). Pohon byl přesunut na zadní kolo pomocí řetězového převodu. Hřídel klik je umístěna v rámu mezi koly. Jezdec tak sedí na kole v lehkém předklonu a s těžištěm o něco výš než při chůzi. Kolo má trubkový rám, kola s kovovým ráfkem a drátěným paprskovitým výpletem [16]. Ve stejném období (1888) vynalezl John Boyd Dunlop vzduchem plněnou pneumatiku [9].

strana

15


Obr. 1.4 Nízké kolo kolo (www.ssplprints.com)

1.3 Lehokolo Dalším přístupem ke konstrukci kola je „lehokolo“ či „lehocipéd“, anglicky „recumbert bicycle“. [13] Zde je jezdec posazen v záklonu nízko nad vozovku a kliky s pedály jsou umístěny před ním (obrázek 1.5).

Obr. 1.5 Závodní lehokolo (www.velorizontal.com)

Tato konstrukce má své výhody, ale přesto se masově neprosadila. Místo toho postupně vznikly rozdílné varianty „nízkých kol“ pro běžnou dopravu a sportovní aktivity (silniční, horské, trekingové, freestylové a další) s tím, že následný vývoj s týkal především použitých materiálů, vývoje měničů převodů, brzd a dosahování vyšší účinnosti v jednotlivých komponentech, ale již se netýkal polohy jezdce. Ta zůstala prakticky nezměněna. Oproti tomu výhody lehokola jsou pohodlnější sezení, nízko položené těžiště, menší čelní plocha jezdce a tím nižší aerodynamický odpor.

strana

16

SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÍ- HPV

2 SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÍ- HPV

2

Zkratka HPV pochází z anglického výrazu „Human Powered Vehicle.“ Jedná se tedy o dopravní prostředky poháněné lidskými svaly. Tato kategorie může být dále rozdělena podle prostředí ve kterém se daný prostředek pohybuje: pozemní, vodní a vzdušné. V tomto textu se budeme zabývat pouze pozemními dopravními prostředky a název HPV budeme dále spojovat pouze s nimi. Podle pohonu je můžeme rozdělit na „rikše,“ které pohání pouze řidič a ostatní cestující se vezou a na HPV poháněná všemi cestujícími. Rikše jsou běžným dopravním prostředkem především v jihovýchodní Asii. Konstrukce může být pojata jako dvoukolový vůz tažený běžcem, nebo bicykl se třemi koly a lavicí pro cestující v zadní části. V Evropě se, s moderně pojatou konstrukcí rikše, můžeme setkat obvykle jen v turistických centrech (obrázek 2.1).

Obr. 2.1 Rikša (http://pics.bg.afisha.ru)

2.1 Moderní HPV

2.1

Konstrukce vychází z lehokol počátku 20. století. Ta dosahovala dobrých výsledků ve sportu, ale rozhodnutím Union Cycliste Internationale z roku 1934, kterým nebyl uznán rekord Francise Faurého, byla jejich éra přerušena. Jednalo se o rekord v hodinovém závodě a cyklista na stroji „Velocar“ (obrázek 1.5) konstruktéra Charlese Rocheta ujel 45,055km, čímž překonal dvacet let starý rekord. Tímto rozhodnutím byla ukončena rozmanitost designu závodních kol [13]. Dnešní závodní aerodynamicky kapotována HPV dosahují rychlostí přes 100km/h. Ukázka takové konstrukce je vidět na obrázku 2.2.

Obr. 2.2 Moderní rychlostní HPV (www.ent.ohiou.edu)

strana

17


2.1.1 Srovnání lehokola s klasickým kolem Byla zmíněna první speciální aplikace, kde je důsledně využito výhod této konstrukce. Následně výhody přiblížíme společně s nevýhodami [13]. Výhody lehokol: Jezdec sedí v sedadle a opírá se o něj celými zády a hýždi. Tato pohodlnější poloha vede k menší únavě, především při jízdě na delší vzdálenosti. Poloha v záklonu zlepšuje výhled a přehled o okolí. Vzhledem k záklonu a umístění klik vpředu má jezdec menší čelní plochu a tím menší aerodynamický odpor. Nízko položené těžiště snižuje riziko pádu, případně jeho závažnost. Nevýhody lehokol: Poloha klik před jezdcem neumožňuje „postavení se do pedálů“ při jízdě do kopce, což snižuje rychlost při prudkých stoupáních. Omezené použití v terénu. Závodní HPV jsou úzce specializovaným produktem. Dále se ale zaměříme na HPV pro běžné užití, volný čas a cestování.

2.2 Jednomístné HPV Nejběžnější HPV, která jsou také nabízena v nejrůznějších variantách, jsou jednomístná. Můžeme je rozdělit na dvě základní skupiny, dvoukolová a tříkolová. Dvoukolové jednomístné HPV je vyrobeno z klasických cyklistických komponentů (obrázek 2.3), rozdíl je pouze v rámu, sedadle a řízení. Řídítka mohou být umístěna pod sedadlem, jako madla do kterých se jezdec může „zapřít,“ nebo nad ním. Zadní kolo bývá obvykle větší než přední [8] a jsou používány brzdy typu „V.“ Kliky se dvoj nebo trojpřevodníkem a řetězový převod na zadní hnané kolo se sedmi až osmi převodovou kazetou. Podle účelu mohou být také vybavena odpružením, obvykle přední i zadní vidlice. Mezi typické výrobce této kategorie patří: Azub Bacchetta Sun Bicycles Rans

Obr. 2.3 Azub Hardcore (www.azub.cz)

strana

18


Tříkolové jednomístné HPV (obrázek 2.4) je nižší a stabilnější, neboť se jezdec nachází v prostoru mezi koly. Těžiště se tak nachází těsně nad vozovkou. Ve vyšší ceně se odráží větší míra komfortu, složitější konstrukce a použití kotoučových brzd. Další výhodou je možnost omezeného použití v terénu. Tuto kategorii pokrývají: ICE WizWheelz

Obr. 2.4 Trice Rapid od firmy ICE (www.ice.hpv.co.uk)

Existují také další speciální konstrukce, například celoodpružené čtyřkolové HPV určené do terénu či kapotované „velocary“.

2.3 Dvoumístné HPV

2.3

Tato kategorie je podstatně vzácnější. I zde jsou varianty dvoukolové a tříkolové (obrázek 2.5). Řetězový převod mezi řidičem a druhým jezdcem je zpravidla stálý. Měniče převodů jsou pak umístěny na klikách druhého jezdce a na zadním hnaném kole, obdobně jako u jednomístných HPV. Brzdy jsou již zpravidla kotoučové a řízení, brzdění a řazení obstarává řidič.

Obr. 2.5 Trice Expedition Tandem od firmy ICE (www.ice.hpv.co.uk)

Pro dosažení menších celkových rozměrů je možné umístit kliky zadního jezdce částečně pod sedadlo řidiče. Tím je sice zkrácena délka HPV, ale jezdec vzadu má podstatně omezený výhled a řidič sedí o to výše nad vozovkou. Oproti tomu

strana

19


u nezkráceného HPV, může být zadní sedadlo úmyslně umístěno o něco výše než sedadlo řidiče, pro dosažení lepšího výhledu druhého jezdce. Vyrábí např.: ICE Catrike Hase

2.4 Vícemístné HPV HPV pro více než 2 osoby jsou velkou vzácností a svou konstrukcí jsou určeny především pro méně náročné a příležitostné použití. Na obrázku 2.6 je čtyřmístné HPV švýcarské firmy ZEM. Toto vozidlo o rozměrech 2650x1250x1250mm a váze 96kg [20] má sedadla umístěná poměrně vysoko nad vozovkou a cestující šlapou ve vzpřímené poloze. Díky tomuto uspořádání má vysoko položené těžiště a velkou čelní plochu.

Obr. 2.6 ZEM- 4cycle red (http://www.zem.ch)

2.5 Příslušenství Většina výrobců dodává ke svým HPV příslušenství, které obvykle kopíruje příslušenství pro cyklistiku. Tachometr Blatníky Světla Nosiče na zavazadla Brašny Držáky na lahve Čelní aerodynamický štít

strana

20

ANALÝZA PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ

3 ANALÝZA PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ

3

V této kapitole přiblížíme proces vývoje a představíme jednotlivé varianty řešení. Budou diskutovány jejich výhody a nevýhody a v závěru vybrán výsledný koncept. Cílem je navrhnout tří nebo čtyřmístné vozidlo na šlapací pohon s ohledem na ergonomii a využití cyklistických komponentů.

3.1 Legislativa

3.1

Aby bylo možné vozidlo používat v provozu na pozemních komunikacích, musí splňovat potřebné právní normy. Zařazení tohoto typu vozidla je stanoveno podle článku 9, přílohy 13, vyhlášky 341/2002 Sb. Ministerstva dopravy a spojů ze dne 11. července 2002 o schvalování technické způsobilosti a o technických podmínkách provozu vozidel na pozemních komunikacích [14]: „Pro účely této vyhlášky se jízdním kolem rozumí i tříkolky a vícekolky, stejně jako vícesedadlová jízdní kola (např. tandemy) a jim podobná vozidla poháněná lidskou silou a určená i k provozu na pozemních komunikacích, jako např. koloběžky.“ Technická způsobilost, tohoto typu vozidel (jízdní kola, potahová vozidla a ruční vozíky), se podle článku 71, informačního dokumentu Ministerstva dopravy a spojů, pro schvalování technické způsobilosti vozidel provozovaných na pozemních komunikacích, neschvaluje. Podmínkou pro jejich užití v provozu na pozemních komunikacích je splnění technických požadavků dle přílohy 13, vyhlášky 341/2002 Sb. Tento dokument je v textu umístěn jako Příloha A.

3.2 Přístupy k řešení

3.2

V následujících kapitolách budou diskutovány dílčí přístupy a konstrukční jednotky. 3.2.1 Ergonomie Cílem je navrhnout takové uspořádání, aby cestující zaujímali pohodlnou polohu a byli tak schopni dlouhodobě efektivně pohánět vozidlo. Dalšími předpoklady, především pro řidiče, jsou kvalitní výhled a snadné ovládání řídících prvků.

3.2.1

Poloha cestujících Nabízí se několik základních poloh, ve kterých můžou cestující vozidlo pohánět. Prezentuje je obrázek 3.1.

Obr. 3.1 Poloha při šlapání strana

21


Na obrázku a) je klasická cyklistická poloha. Jezdec sedí v předklonu s napnutými pažemi na úzkém sedle. Výhodou je možnost „postavení se do pedálů“ při jízdě do kopce a tím využít vlastní váhu pro šlapání. Nevýhodou je rozložení tíhy jezdce na malou plochu sedla a do dlaní. Obrázek b) znázorňuje vzpřímenou pozici s možností opření zad. To umožňuje rozložení váhy na větší plochu, ale snižuje možnost se „postavit do pedálů.“ Obrázek c) prezentuje polohu „vleže“, ta poskytuje největší komfort, mírně pokrčené paže umožňují „zapření se do madel.“ Jezdec v této variantě má nejmenší čelní plochu a tím snižuje velikost aerodynamického odporu. Nevýhodou je větší „prostorová náročnost“ oproti předchozím uspořádáním. Dalším předpokladem pro pohodlí a efektivní výkon je možnost přizpůsobení rozměrů pro lidi s rozdílnou výškou postav. Výhled z vozidla Tento požadavek je spojován především s osobou řidičem, neboť přehled o situaci kolem je základním předpokladem pro bezpečnou jízdu. Výhled ostatních cestujících je pak přidanou hodnotou a zvyšuje prožitek z jízdy. Ovládací prvky Pokud předpokládáme, že vozidlo může pohánět i jediný cestující (řidič), musíme veškeré řídící a ovládací prvky umístit do jeho ergosféry. Jedná se o ovládání řízení, brzd, převodů a osvětlení. Nastupování Tato oblast se bude odvíjet od konstrukce rámu, výšky sedadel, umístění ovládacích prvků a tvaru případné kapotáže. Cílem je dosažení pohodlného nastupování a vystupování z vozidla. 3.2.2 Rozmístění sedadel Zde nepředpokládáme řazení sedadel za sebou, budou nás zajímat následující varianty pro tři a) respektive čtyři sedadla b), c) a d). Prezentuje obrázek 3.2.

a) 1-2

c) 1-2-1 Obr. 3.2 Možnosti rozmístění sedadel

strana

22

b) 2-2

d) 1-3


Můžeme zamítnout variantu (d) protože nenabízí žádné zřejmé výhody. Varianta (c) je užší, (b) kompaktnější a kratší. Třímístná varianta (a) nabízí nejmenší vnější rozměry, ale počet tří osob je méně univerzální a neumožňuje například cestovat v párech. 3.2.3 Počet kol Neuvažujeme o možnosti dvoukolového podvozku. Tato konstrukce se již používá u bicyklů pro více osob a to není naším cílem.

3.2.3

Tříkolový podvozek Při tomto uspořádání není nezbytné odpružení vozidla, aby byl zajištěn stálý kontakt kol s vozovkou. Tím se řešení zjednodušuje. Nevýhodou je menší stabilita a větší zatížení kol. Jsou zde dvě varianty uspořádání. Náhon jednoho zadního kola (obrázek 3.3 b) nebo páru zadních kol (a). U první možnosti je výkon přenášen na vozovku pomocí jediného kola, má složitější konstrukci řízení, ale nevyžaduje diferenciál. Druhá varianta nabízí jednodušší řízení, ale s nutností diferenciálu, pro náhon zadních kol. Diferenciál zde není zcela nezbytný, ale poskytne symetrický krouticí moment na obě kola bez nutnosti stálého vyvažování pomocí řízení.

Obr. 3.3 Rozmístění kol

Čtyřkolový podvozek Zde je již nutné jak odpružení podvozku, aby byl zajištěn stálý kontakt všech kol s vozovkou, tak použití diferenciálu na náhon zadních kol (obrázek 3.3 c). Rám vozidla se stává těžším a složitějším. Naproti tomu je podvozek stabilnější a jednotlivé kola jsou méně namáhána. 3.2.4 Zavěšení kol Tato kapitola se zabývá především zavěšením kol čtyřkolového podvozku, ale některé závěry mohou být uplatněny i pro podvozek tříkolový. Účelem zavěšení je umožnit svislý relativní pohyb kol vůči rámu a eliminovat nežádoucí pohyby kol, především boční posuv a naklápění. To může být řešeno dvěma způsoby: závislým zavěšením kol a nezávislým zavěšením kol [4]. Nutno

3.2.4

strana

23


poznamenat, že vhodné naklápění nemusí být při použití cyklistických kol problémem, spíše výhodou. Přední náprava Hledáme-li jednodušší varianty řešení, nabízí se následující typy náprav: Lichoběžníková McPherson Zadní náprava Pro zadní nápravu můžeme použít tyto typy náprav: Tuhá Lichoběžníková McPherson Kyvná Pokud bude zvolen lichoběžníkový typ pro obě nápravy se stejně dlouhými rameny, dojde při zatáčení vlivem odstředivé síly k naklápění kol viz. obrázek 3.4. To povede k podobnému zatěžování kol jako u bicyklu při průjezdu zatáčkou, tedy přenosu síly pouze v radiálním směru. Přední lichoběžníková náprava může být také použita pro tříkolový podvozek s jedním hnaným kolem.

Obr. 3.4 Lichoběžníková náprava při zatáčení

Ostatní typy zavěšení naklápění eliminují a v podstatě se nabízí pouze McPherson pro přední nápravu a tuhá zadní nebo kyvná náprava vzadu. Kombinaci McPherson s tuhou nápravou znázorňuje obrázek 3.5.

Obr. 3.5 Náprava McPheson v kombinaci s tuhou nápravou

strana

24


Zavěšení kol u tříkolového podvozku může být také řešeno s odpružením i když to není nezbytně nutné. Tak docílíme většího komfortu a menšího namáhání vozidla vlivem rázů a chvění. 3.2.5 Pružení Od použitého zavěšení kol se bude odvíjet odpružení a tlumení. To může být zajištěno pomocí vinutých nebo listových pružin. Tlumení pak bude zajištěno jedno nebo dvouplášťovými tlumiči.

3.2.5

3.2.6 Řízení Řízení může být ovládáno řidičem pomocí volantu nebo řídítek umístěných nad nebo pod sedadlem. Především pro sezení „vleže“ dobře vyhovují madla umístěná podél sedadla tak, že má řidič paže pohodlně podél těla a zároveň se do nich může „zapřít.“ Naproti tomu řídítka jsou prostorově méně náročná a umožní těsnější uspořádání. V návaznosti na zvolený typ ovládání, počet předních kol a způsobu zavěšení se bude odvíjet mechanismus řízení.

3.2.6

3.2.7 Brzdy Pro snížení rychlosti nebo zastavení vozidla mohou být použity cyklistické V-brzdy, kotoučové nebo bubnové brzdy. Dále je potřeba vozidlo vybavit parkovací brzdou pro zajištění polohy při stání.

3.2.7

3.2.8 Převody Řazení převodů se odvíjí od rozmístění sedadel. Může být ovládáno buďto pouze řidičem, jezdci sedícími vpředu anebo všemi cestujícími. Pokud budou převody ovládat cestující vpředu, spojení mezi nimi a cestujícími vzadu bude pomocí neměnného převodu. Vlastní měniče budou umístěny na klikách zadních cestujících a hřídeli zadních kol (obrázek 3.6).

3.2.8

Obr. 3.6 Převod mezi předním a zadním jezdcem

3.3 Varianty řešení

3.3

Z výše uvedených možností a se zhodnocením výhod a nevýhod dílčích řešení, byly vybrány tyto komplexní varianty řešení. 3.3.1 Varianta A Tříkolový neodpružený podvozek s uspořádáním sedadel 2-2 a jedním hnaným kolem. Viz. obrázek 3.7.

3.3.1

strana

25


Obr. 3.7 Varianta A

3.3.2 Varianta B Tříkolový neodpružený podvozek s uspořádáním sedadel 1-2-1 a párem hnaných kol. Viz. obrázek 3.8.

Obr. 3.8 Varianta B

3.3.3 Varianta C Čtyřkolový podvozek, přední náprava McPherson, zadní náprava tuhá a uspořádání sedadel 1-2-1. Viz. obrázek 3.9.

strana

26


Obr. 3.9 Varianta C

3.3.4 Varianta D Čtyřkolový podvozek s přední i zadní lichoběžníkovou nápravou a uspořádáním sedadel 2-2. Viz. obrázek 3.10.

3.3.4

Obr. 3.10 Varianta D

3.4 Zhodnocení variant

3.4

Pro objektivní posouzení jednotlivých variant byla sestavena tabulka 3.1 která obsahuje základní kritéria pro hodnocení. Každé kritérium má svou váhu (1-10), kterou je násoben počet bodů (1-5) pro jednotlivé varianty. Platí, že vyšší počet bodů

strana

27


znamená větší výhodnost. Počet bodů u váhy značí její důležitost. Součet bodů u jednotlivých variant pak komplexně rozhoduje o jejich výhodnosti. Tab. 3.1 Váhové zhodnocení variant Kritérium Stabilita Hmotnost Jednoduchost rámu Jednoduchost řízení Jednoduchost převodů Únosnost Vzhled Vnější rozměry Kompaktnost uspořádání Komunikace mezi posádkou Celkem Poznámky

Váha 10 8 8 8 6 7 7 5 5 2

A 2 5 5 2 4 2 1 4 4 4

20 40 40 16 24 14 7 20 20 8 209

Varianta C 30 5 40 2 32 2 40 3 12 2 14 5 21 4 15 3 15 3 6 3 225 Nejvhodnější varianta B 3 5 4 5 2 2 3 3 3 3

50 16 16 24 12 35 28 15 15 6 217

D 5 1 2 2 1 5 5 4 4 4

50 8 16 16 6 35 35 20 20 8 214

3.5 Výsledný koncept Z navržených řešení získala varianta B nejvíce bodů a proto se dále budeme zabývat pouze touto variantou. Jedná se o vozidlo se tříkolovým podvozkem, s párem hnaných kol a uspořádáním sedadel 1-2-1. Výsledný koncept prošel několika dílčími změnami: U řidiče byla použita řídítka z důvodu zmenšení šířky vozidla. Čtvrté sedadlo je koncipováno jako příležitostné a bez možnosti pohonu, dojde tak ke zkrácení délky. Přední vidlice je odpružená. Zadní náprava je odpružená a tvořená kyvnými polonápravami.

strana

28

NÁVRH VLASTNÍ KONSTRUKCE

4 NÁVRH VLASTNÍ KONSTRUKCE

4

V následujících podkapitolách se budeme podrobně zabývat návrhem konstrukčních celků a jednotlivých součástí, jejich geometrií, volenými materiály a pevnostními výpočty. Celkový náhled nabízí obrázek 4.1.

Obr. 4.1 Celkový pohled

Hlavní rozměry vozidla jsou: Délka - 2715mm Šířka - 1367mm Výška - 1270mm Rozchod - 2066mm Rozvor zadní nápravy - 1210mm Poloměr zatáčení - 2822mm (při natočení řídítek o 60º) Výška sedadla - 690mm (sedadlo řidiče), 540mm (zadní sedadla), 505mm (příležitostné sedadlo) Světlá výška - 200mm Hmotnost - 85kg 3D model celé sestavy je vytvořen v parametrickém modeláři Autodesk Inventor Professional 11. Tvary standardních dílů a komponent jsou podle uvážení zjednodušené.

4.1 Rám

4.1

Rám je základním nosným prvkem vozidla. K němu je připevněna většina konstrukčních celků: podvozek, sedadla, řízení, prvky převodového ústrojí, zavazadlového prostoru, příslušenství a kapotáže (viz. obrázek 4.2).

strana

29


Obr. 4.2 Rám vozidla

4.1.1 Materiál Pro rám je zvolen materiál EN AW 7020 T6 (Al, Zn 4,5%, Mg 1%). Tento materiál patří mezi nejpoužívanější hliníkové slitiny pro výrobu cyklistických rámů. Vybrané vlastnosti materiálu jsou [7]: Mez pevnosti - Rm = 350MPa Smluvní mez kluzu - Rp0,2 = 280MPa Svařitelnost - dobrá Třísková obrobitelnost - dobrá / uspokojivá Korozivzdornost - dobrá / uspokojivá Elexovatelnost - podmínečná / špatná Povrchově je rám upraven práškovým lakováním (polyesterová prášková barva). 4.1.2 Geometrie Rozměry rámu vycházejí z rozměrů člověka a navazujících konstrukčních celků. Je zohledněna dospělá populace podle výšky od spodní hranice 5% žen po horních 95% mužů. V tomto rozmezí, 997mm-1277mm mezi chodidlem a hýždi [1], je možné podélné nastavení sedadel. Navržený tvar poskytuje cestujícím dostatečnou míru pohodlí a prostoru, přitom je kompaktní a umisťuje těžiště nízko nad vozovku. Osa klik s pedály je umístěna o 150mm výše něž sedadlo, to spolu s náklonem sedadla zajišťuje vhodnou pozici těla vůči nohám pro efektivní šlapání. Jsou použity kruhové a obdélníkové trubkové profily, tažené za studena a svařované metodou TIG. Největší část rámu je vytvořena z profilu o průměru 60mm a tloušťce stěny 3mm. V zadní části je z důvodu většího namáhání použit obdélníkový profil o výšce 80mm, šířce 40mm a tloušťce stěny 3mm a kruhový o průměru 70mm a tloušťce 3mm. Dále je rám v exponovaných místech zesílen žebry. 4.1.3 MKP výpočet Výpočet rámu, metodou konečných prvků (MKP), probíhal v software Ansys Workbanch.

strana

30


Konečnoprvková síť Pro výpočet je použit model, zjednodušený o prvky nepodílející se na pevnosti tělesa. Volná konečnoprvková síť je vygenerovaná pomocí 415443 elementů metodou Sizing o velikosti prvku 5mm. Síť má 795582 uzlů. Detail sítě nabízí obrázek 4.3.

Obr. 4.3 Rám - konečnoprvková síť

Okrajové podmínky Těleso je zavazbeno pomocí dvou typů vazeb: plochy dosedání zadních tlumicích a pružících jednotek (zamezení pohybu v osách x, y,z) ložisková plocha přední nápravy (zamezení pohybu v osách y, z) Rám je zatížen vlivem tíhy v záporném směru osy z: vlastní tíha (gravitační zrychlení) tlakovými účinky v plochách umístění sedadel (vycházíme z hmotnosti horních 95% mužů- 99,3kg [2]) tlakovými účinky v plochách zavazadlového prostoru (35kg zavazadel na jednu osobu) Dále je zohledněn vliv odstředivých sil při průjezdu zatáčkou: zrychlení ve směru osy y momenty sil v uchycení sedadel (účinek odstředivé síly na sedadlo a cestujícího) tlakové účinky ve směru osy y v zavazadlovém prostoru (účinek odstředivé síly na zavazadla) Okrajové podmínky zobrazuje obrázek 4.4.

strana

31


Obr. 4.4 Rám - okrajové podmínky

Výsledky Obrázek 4.5 zobrazuje rozložení redukovaného napětí (Von-Mieses) na tělese. Nejvyšší hodnota (76,6MPa) se nachází v zadní části rámu u uchycení tlumicí a pružící jednotky. Z toho vyplývá bezpečnost k = 3,7 ke smluvní mezi kluzu.

strana

32


Obr. 4.5 Rám - rozložení redukovaného napětí

Obrázek 4.6 prezentuje celkové deformace. Maximální hodnota 1,4mm se nachází na vnější části rámu vzhledem ke středu zatáčení.

Obr. 4.6 Rám - celkové deformace

strana

33


Reakční síly ve vazbách ukazuje tabulka 4.1. Tab. 4.1 Reakční síly rámu vozidla Vazba Podélná složka Příčná složka Svislá složka Výsledná síla

Přední vidlice F1x=0N F1y=-112,4N F1z=870N F1=877,4N

Vnější tlumič F2x=-154,9N F2y=155,3N F2z=2470,4N F2=2480N

Vnitřní tlumič F3x=154,9N F3y=-753N F3z=1849,6N F3=2003N

Pro kvalitativní kontrolu byly provedeny další výpočty s rozdílným počtem prvků i metodou generování sítě. Výsledky těchto výpočtů se lišily v rozmezí 10% a můžeme tedy prezentované výsledky považovat za dostatečně reprezentativní.

4.2 Převodové ústrojí Převody jsou navrženy tak, aby si každý cestující mohl volit převodový stupeň sám. Je tak kladen větší důraz na individuální potřeby cestujících a zároveň se předejde necitlivému zatěžování během změny převodového poměru. Převody (obrázek 4.7) můžeme rozdělit na: a) Primární - od cestujících na společnou hřídel b) Sekundární - ze společné hřídele na diferenciál zadní nápravy

Obr. 4.7 Převody

4.2.1 Primární převody Primární převody jsou řešeny pomocí standardních cyklistických komponent. Kliky jsou opatřeny trojpřevodníkem s počty zubů: 22-32-46. Řetěz přenáší krouticí moment na kazety, umístěné na společné hřídeli. Kazety s volnoběžnými spojkami mají počty zubů 11-34. Počty zubů jsou navrženy s ohledem na specifika jízdy v zakloněné pozici. Pro 85ot/min (maximální produkovaný výkon při šlapání vzhledem k počtu otáček [6]), obvod kola 2003mm a převodový poměr 46:11, vychází maximální rychlost 42,7km/h.

strana

34


4.2.2 Společná hřídel Společná hřídel je dělená a tvoří ji tři souosé hřídelové segmenty (obrázek 4.8). Spojení je provedeno pomocí rovnobokého drážkování. Tímto způsobem je umožněno upevnění tří kazet a řetězového kola pro náhon zadní nápravy.

4.2.2

Obr. 4.8 Společná hřídel

Každá kazeta, včetně volnoběžné spojky, je nasazena na radiální drážkování a axiálně vymezena pomocí distančního kroužku. Celá hřídel je uložena pomocí tří jednořadých kuličkových ložisek v rámu vozidla. Z vnějších stran krajních ložisek jsou pojistné kroužky, čímž je zamezen axiální pohyb všech tří hřídelí. Ložiska, mazána tuhým mazivem, jsou utěsněna plastovými krytkami. Pevnostní výpočet hřídele FE

F1ř

F1ř

F:

FG

FF

F1ř

F2ř

Mo:

M k:

M1

M3

43,5

304,5

56,6

M2

40

361,5

31,6

110

36,5

P

Q

R

S

Obr. 4.9 Společná hřídel- VVÚ strana

35


Materiál hřídelí je ocel 14 220 se smluvní mezí kluzu Rp0,2=660MPa. Výsledné vnitřní účinky prezentuje obrázek 4.9. Pomocí podmínky HMH (bezpečnost k=2) byly vypočteny minimální průměry hřídelí v kritických místech (P, Q, R, S) a podle nich navrženy rozměry hřídele. Zatěžující síly a krouticí momenty: F1ř = 1602N (síla od řetězu primárního převodu) F2ř = 6647N (síla od řetězu sekundárního převodu) M1 = 104133Nmm M2 = 208267Nmm M3 = 312400Nmm Reakční síly v ložiscích (výsledek MKP výpočtu): FE = 1270N FF = 4860N FG = 1650N Kritické místo P:

dP ≥ 6

2 1024 ⋅ M oP ⋅k2 256 ⋅ M 12 ⋅ k 2 + 3 = π 2 ⋅ Re 2 π 2 ⋅ Re 2

1024 ⋅ 33167 2 Nmm ⋅ 2 2 256 ⋅ 104133 2 Nmm ⋅ 2 2 + 3 = 14,4mm π 2 ⋅ 660 2 MPa π 2 ⋅ 660 2 MPa Kritické místo Q: =6

dQ ≥

6

2 1024 ⋅ M oQ ⋅k2

π 2 ⋅ Re 2

256 ⋅ M 32 ⋅ k 2 +3 = π 2 ⋅ Re 2

1024 ⋅ (−45849) 2 Nmm ⋅ 2 2 256 ⋅ 312400 2 Nmm ⋅ 2 2 + 3 = 20,4mm π 2 ⋅ 660 2 MPa π 2 ⋅ 660 2 MPa Kritické místo R: =6

2 1024 ⋅ M oR ⋅k2 256 ⋅ M 22 ⋅ k 2 dR ≥ +3 = π 2 ⋅ Re 2 π 2 ⋅ Re 2 6

1024 ⋅ 33217 2 Nmm ⋅ 2 2 256 ⋅ 208267 2 Nmm ⋅ 2 2 + 3 = 17,8mm π 2 ⋅ 660 2 MPa π 2 ⋅ 660 2 MPa Kritické místo S: =6

1024 ⋅ M oS2 ⋅ k 2 256 ⋅ M 12 ⋅ k 2 dS ≥ +3 = π 2 ⋅ Re 2 π 2 ⋅ Re 2 6

=6

1024 ⋅ 50233 2 Nmm ⋅ 2 2 256 ⋅ 104133 2 Nmm ⋅ 2 2 + 3 = 14,7 mm π 2 ⋅ 660 2 MPa π 2 ⋅ 660 2 MPa

Drážkování Spojení jednotlivých segmentů je realizováno pomocí rovnobokého drážkování 6 x 16 x 20: Velký průměr - D = 20mm Malý průměr - d = 16mm Počet zubů - z = 6 Délka - l = 30mm Ověření proti otlačení (dovolený tlak pdov=70MPa): strana

36


Střední průměr drážkování: D + d 20mm + 16mm DS = = = 18mm 2 2 Síla v drážkování: 2 ⋅ M 1 2 ⋅ 104133Nmm F= = = 11570 N DS 18mm Kontaktní výška zubu: 20mm − 16mm D−d h´= − 2 f ´´= − 2 ⋅ 0,2mm = 1,6mm 2 2 f´´ [mm] - sražení hran drážky Účinná plocha drážky o délce 1mm: 3 3 f ´= z ⋅ h´= 6 ⋅ 1,6mm = 7,2mm 4 4 Tlak v drážce: F 11570 N p= = = 53,6 MPa ≤ p dov l ⋅ f ´ 30mm ⋅ 7,2mm Ložiska Společná hřídel je uložena pomocí dvou typů ložisek: 6005 - krajní ložiska (E, G) 6006 - prostřední ložisko (F) Všechna ložiska byla ověřena pomocí aplikace SKF [18] a minimální životnost činí 23.106otáček, což odpovídá absolvování 40000km.

4.2.3 Sekundární převod Sekundární převod, s poměrem 1, přenáší výsledný krouticí moment cestujících na diferenciál zadní nápravy. Odtud je distribuován v požadovaném poměru pomocí poloos na zadní hnaná kola. Volba a výpočet válečkového řetězu je proveden podle firemního výpočtu společnosti Řetězy Vamberk [17].

4.2.3

Navržené parametry: Typ řetězu - 10B-1 Rozteč - p´ = 15,875mm Počet zubů hnacího kola - z1 = 17 Počet zubů hnaného kola - z2 = 17 Osová vzdálenost - aos = 840,271mm Kontrolní výpočet Tažná síla: N 3 ⋅ 7,5W ⋅ kg −1 ⋅ 80kg P= = = 1125 N 85 −1 46 15,875 v s ⋅ ⋅ 17 ⋅ 60 11 1000 N [W] - přenášený výkon v [m.s-1] - obvodová rychlost v řetězu Součinitel rázu:

strana

37


Y =2 Převodový poměr: z 17 i= 2 = =1 z1 17 Součinitel výkonu (pro daný převodový poměr a počet zubů): k = 0,42 Součinitel mazání (pro ruční mazání): I2 = 1 Součinitel provedení (pro řetězy dle DIN 8187 (Evropské), ISO - R 606, ČSN 02 3311): ϕ =1 Součinitel vzdálenosti os: σ = 1,1 Diagramový výkon: N 1,8kW Nd = = = 3,9kW k ⋅ I 2 ⋅ ϕ ⋅ σ 0,42 ⋅ 1 ⋅ 1 ⋅ 1,1 Počet článků řetězu: a z +z C ⋅ p´ 840,271mm 17 + 17 X = 2 os + 1 2 + =2 + + 0 = 122,8 p´ 2 a 15,875mm 2 Je zvolen nejbližší sudý počet článků řetězu X=122. Přepočítaná osová vzdálenost: z + z2 17 + 17 (X − 1 ) p´ (122 − )15,875mm 2 2 a os = = = 833,44mm 2 2 Průměry roztečných kružnic řetězových kol: p´ 15,875mm d t1 = d t 2 = = = 86,395mm 180° 180° sin sin z1 17 Odstředivá síla na řetězovém kole: G = Q ⋅ v 2 = 0,93kg ⋅ m −1 ⋅ 1,6 2 m ⋅ s −1 = 2,38 N Q [kg.m-1] - hmotnost 1m řetězu (z katalogu) Celkové zatížení řetězu: Pc = P + G = 1125 N + 2,38 N = 1127,38 N Statická bezpečnost: F 22400 N γ stat = B = = 20 ≥ 7 Pc 1127,38 N FB [N] - zatížení odpovídající mezi pevnosti řetězu (z katalogu) Pro danou obvodovou rychlost a rozteč je doporučená bezpečnost 20-30. Dynamická bezpečnost: F 22400 N γ dyn = B = = 9,9 ≥ 5 Pc ⋅ Y 1127,38 N ⋅ 2 Měrný tlak v kloubech řetězu (pro daný počet zubů a obvodovou rychlost): p I = 24,03MPa Součinitel tření (pro daný převodový poměr a součinitel rázů): strana

38


I 1 = 0,73 Dovolený tlak v kloubech řetězu: p dov = p I ⋅ I 1 ⋅ I 2 = 24,03MPa ⋅ 0,73 ⋅ 1 = 17,54 MPa Výpočtový tlak: Pc 1127,38 N pv = = = 16,8MPa fx 67 mm 2 fx [mm2] - plocha kloubu řetězu (z katalogu) Srovnání tlaků: p v ≤ p dov 16,8MPa ≤ 17,54 MPa Zvolený řetěz vyhovuje danému zatížení a podmínkám provozu.

4.2.4 Zatížení jednotlivých hřídelí Pro krajní zatížení: maximální výkon od jednoho cestujícího - P1 = 7,5W ⋅ kg −1 ⋅ 80kg = 600W , maximální otáčky - n = 85min-1, 46 nevyšší převodový poměr - i max = = 4,18 , 11 22 nejnižší převodový poměr - imin = = 0,647 , 34 platí následující hodnoty na jednotlivých hřídelích (Tab. 4.2).

4.2.4

Tab. 4.2 Maximální zatížení jednotlivých hřídelí Hřídel Kliky Společná hřídel Poloosa

Max. otáčky -1 1,417s -1 5,924s -1 5,924s

Min. otáčky -1 1,417s -1 0,917s -1 0,917s

Výkon 600W 1800W 1800W

Krouticí moment 67,4Nm 312,4Nm 312,4Nm

4.3 Podvozek

4.3

Tříkolový podvozek zajišťuje sám o sobě stálý kontakt všech kol s vozovkou. Ze zkušeností cestovatelů, používajících k dopravě lehokola či dvoumístná HPV, je zřejmé docenění, je-li HPV odpruženo. Odpružení tak zvýší komfort cestování a zmenší rázové namáhání rámu. Podvozek tvoří přední odpružená vidlice a zadní kyvadlové polonápravy.

4.3.1 Přední vidlice Přední vidlice je výrazně méně zatěžována (viz. Tab. 4.1) a z toho důvodu je tvořena cyklistickými komponenty.

4.3.1

Vidlice Je použita odpružená vidlice RST Space Free QR s olejovým tlumením o zdvihu 80mm (určená pro freestyle MTB). Kolo Kolo určené pro freestyle MTB s nábojem pro kotoučovou brzdu je opatřeno pláštěm 24" x 2 ,3".

strana

39


4.3.2 Zadní náprava Zadní náprava je tvořena kyvadlovými polonápravami. Polonápravu tvoří rameno a nápravová trubka, v té je pomocí dvou kuličkových ložisek uložena poloosa. Na drážkovaném konci poloosy je pomocí dvou přírub připevněn náboj a kotouč brzdy. Druhý konec poloosy vstupuje do diferenciálu a je tvořen homokinetickým kloubem. Rameno je pomocí silentbloku rotačně připevněno k rámu. Pohled na zadní nápravu nabízí obrázek 4.10.

Obr. 4.10 Zadní náprava

Detailní řez kyvnou polonápravou prezentuje obrázek 4.11. Poloosa je zvýrazněna červeně a příruby pro spojení s nábojem modře. Vlastní návrh diferenciálu přesahuje zadání a není proto součástí této práce.

strana

40


Obr. 4.11 Kyvná polonáprava

Ložiska A, B Poloosa je uložena pomocí dvou jednořadých kuličkových ložisek 6008. Při výpočtu vycházíme z reakčních sil ve vazbách rámu. Předpokládáme rovnost svislé síly působící v uchycení pérování a svislé složky výslednice sil působící ve stopě (F2z=Fz). Vliv odstředivé síly (odstředivé zrychlení ar = 5m.s-2, maximální hmotnost mmax = 625kg) předpokládáme 2000N. Obojí pro vnější více zatížené kolo. Schéma přenášení sil působících ve stopě do uložení kola nabízí Obr. 4.14. a

b

FrA

B

FaB A rd

FrB

Fy Fz

Obr. 4.12 Síly v ložiscích

Rozměry a zatížení: Fz = 2470N Fy = 2000N

strana

41


a = 79mm b = 84mm rd = 279,4mm Ložiska byla ověřena podle Vlka [4] pro tři jízdní stavy: a) Přímá jízda, dobrá vozovka Ve stopě působí pouze zatížení kola: a+b 79mm + 84mm FrA = Fz = 2470 N = 4793 N b 84mm a 79mm FrB = Fz = 2470 N = 2323 N b 84mm b) Přímá jízda, špatná vozovka Předpokládá se zvýšené zatížení kola vlivem rázového namáhání. Zavádí se rázový součinitel k, pro osobní automobily kr=1,3. a+b 79mm + 84mm FrA = k r Fz = 1,3 2470 N = 6206 N b 84mm a 79mm FrB = k r Fz = 1,3 2470 N = 3020 N b 84mm c) Zatáčení Vlivem odstředivé síly je nejvíce namáháno vnější kolo, proto se s ním uvažuje při výpočtu: r a+b 79mm + 84mm 279,4mm FrA = Fz − d Fy = 2470 N − 2000 N = −1859 N b b 84mm 84mm FaA = 0 N r a 79mm 279,4mm Fz − d Fy = 2470 N − 2000 N = −4329 N b b 84mm 84mm FaB = Fy = 2000 N Výpočet trvanlivosti ložisek byl proveden pro maximální zatížení pomocí aplikace SKF [18] a jejich životnost je minimálně 24.106 otáček, to odpovídá absolvování 40000km. FrB =

Poloosa Ocelová hřídel z materiálu 12061.6 (Rm=670MPa, Re=355MPa) je na vnější straně opatřena drážkováním pro uchycení kola a závitem pro jeho axiální pojištění. Dále plochami pro ložiska A, B a na vnitřní straně zakončením pro homo-kinetický kloub při vstupu do diferenciálu. Hřídel je pevnostně ověřena pro kombinované zatížení krutem a ohybem. Zatěžující parametry vycházejí z reakčních sil uložení tlumicí a pružící jednotky v rámu (již vypočtené síly v ložiscích), výsledného krouticího momentu od tří cestujících (Tab. 4.2) a v oblasti drážkování brzdným krouticím momentem (kapitola 4.6.1 Hlavní brzdy). Výpočet předpokládá dva mezní stavy při maximálním zatížení: Jízda (Obr. 4.15a) Brzdění (Obr. 4.15b)

strana

42


X

A

B

Y

Mk

X

A

B

Y

Mb

FrA

FrA

F

F

Fz

FrB

Mo

Fz

FrB

Mo

x

x a

b

a

a)

b

b)

Obr. 4.13 Zatížení poloosy

Zatěžující síly a momenty: Fz = 2470 N FrA = 4793N FrB = 2323N M k = 312400 Nmm M B 1154925 Nmm = = 577463 Nmm 2 2 = Fz ⋅ x = 2470 N ⋅ 57 mm = 140790 Nmm

Mb = M oX

M oA = Fz ⋅ a = 2470 N ⋅ 79mm = 195130 Nmm Minimální průměry v kritických místech podle podmínky HMH (bezpečnost k=2): Průřez X:

dX ≥ 6

2 1024 ⋅ M oX ⋅k2 256 ⋅ M b2 ⋅ k 2 + 3 = π 2 ⋅ Re 2 π 2 ⋅ Re 2

1024 ⋅ 140790 2 Nmm ⋅ 2 2 256 ⋅ 577463 2 Nmm ⋅ 2 2 = +3 = 31mm π 2 ⋅ 355 2 MPa π 2 ⋅ 355 2 MPa Průřez A: 6

dA ≥ 6

2 1024 ⋅ M oA ⋅k2 256 ⋅ M k2 ⋅ k 2 + 3 = π 2 ⋅ Re 2 π 2 ⋅ Re 2

1024 ⋅ 195130 2 Nmm ⋅ 2 2 256 ⋅ 312400 2 Nmm ⋅ 2 2 + 3 = 26,75mm π 2 ⋅ 355 2 MPa π 2 ⋅ 355 2 MPa Průřez Y: =6

dY ≥ 6 3

256 ⋅ M k2 ⋅ k 2 6 256 ⋅ 312400 2 Nmm ⋅ 2 2 = 3 = 24,9mm π 2 ⋅ Re 2 π 2 ⋅ 355 2 MPa

strana

43


Pro spojení poloosy s přírubou náboje kola je navrženo drážkování 8 x 32 x 38: Velký průměr - D = 38mm Malý průměr - d = 32mm Počet zubů - z = 8 Délka - l = 50mm Ověření proti otlačení (dovolený tlak pdov=70MPa): Střední průměr drážkování: D + d 38mm + 32mm DS = = = 35mm 2 2 Síla v drážkování: 2 ⋅ M b 2 ⋅ 577463Nmm F= = = 32998 N DS 35mm Kontaktní výška zubu: D−d 38mm − 32mm h´= − 2 f ´´= − 2 ⋅ 0,4mm = 2,2mm 2 2 f´´ [mm] - sražení hran drážky Účinná plocha drážky o délce 1mm: 3 3 f ´= z ⋅ h´= 8 ⋅ 2,2mm = 13,2mm 4 4 Tlak v drážce: F 32998 N p= = = 50 MPa ≤ p dov l ⋅ f ´ 50mm ⋅ 13,2mm Navržená poloosa pevnostně odpovídá danému zatížení. Rameno nápravy Pro rameno nápravy je použito stejného materiálu, jako pro rám vozidla. Tvoří jej tělo s přírubou, plochy pro valivá ložiska (A, B) a pojistné kroužky. V horní části se nachází otvory pro uchycení tlumící a pružící jednotky, brzdového třmenu a parkovací brzdy. Rameno je zakončeno plochou pro silentblok. Součást je pevnostně ověřena pomocí MKP. Volná konečnoprvková síť je vytvořena na zjednodušeném modelu ramene pomocí metody Sizing. Těleso je zavazeno vetknutím plochy příruby a zamezením pohybu v osách y, z v ploše silentbloku. Zatíženo je gravitací, silami v ložiscích A, B, v uchycení třmenu brzdy (kapitola 4.6.1 Hlavní brzdy) a v uchycení pružící jednotky. Okrajové podmínky prezentuje obrázek 4.14.

strana

44


Obr. 4.14 Rameno nápravy - okrajové podmínky

Výsledné rozložení redukovaného napětí (Von-Mieses) nabízí obrázek 4.13. Maximální hodnota napětí je 80,4MPa a nachází se při uchycení třmenu kotoučové brzdy. Bezpečnost vůči smluvní mezi kluzu je 3,5. Největší deformace činí 0,27mm a nachází se v ohybu ramene.

Obr. 4.15 Rameno nápravy - redukované napětí

strana

45


Nápravová trubka Ocelová nápravová trubka je na vnější straně opatřena přírubou se čtyřmi otvory pro šrouby. Ty složí ke spojení trubky s ramenem nápravy. Na vnitřní straně je kulová plocha tvořící vnitřní část kulového kloubu. Kloub je utěsněn pomocí pryžové manžety. Odpružení a tlumení Odpružením se zmenšuje přenos kmitavých pohybů zadní nápravy na rám vozidla. Chrání tak posádku, přepravovaný náklad a zvyšuje životnost některých dílů [4]. Pružící jednotka spojuje rameno nápravy s rámem a je umístěna nad její osou. Navržena je pružící jednotka o parametrech: Zdvih - 100mm Vzdálenost upevňovacích ploch při plném stlačení - 220mm Maximální přenášená síla - 3500N Ověření a posouzení výběru vhodného typu pružící a tlumící jednotky by se odvíjelo od dalších měření a testů. Kola Jsou zvolena motocyklová kola s pneumatikami 4,00 / 18 64S [15]. 4,00 - šířka pneumatiky v palcích 18 - průměr ráfku v palcích 64 - index zátěže- 265kg S - index rychlosti- maximální rychlost 180km/h Náboj Krouticí moment je z poloosy na kolo přenášen pomocí drážkované příruby. Ta je spojena s nábojem kola pomocí šesti šroubů (jedná se o stejný systém uchycení, jako brzdný kotouč k náboji kola motocyklu [5]). Obdobnou přírubou je na stejném drážkování poloosy uchycen brzdový kotouč, opět pomocí šesti šroubů. Přenáší se tak brzdný moment z kotouče přes drážkované příruby na náboj kola. K zamezení axiálního pohybu kola na poloose je použito šroubového spoje. Korunová matice M16 z materiálu 8.8, pojištěná závlačkou, svírá pomocí podložky obě drážkované příruby. Celý spoj je zakryt plastovou krytkou. Výpočet utahovacího momentu: Předpětí: Fi = 0,9 ⋅ F p = 0,9 ⋅ 2000 N = 1800 N Fp [N] - provozní síla 0,9 [1] - konstanta trvalého spoje Utahovací moment: Tu = K ⋅ Fi ⋅ d 2 = 0,2 ⋅ 1800 N ⋅ 14,701mm = 5292 Nmm K [1] - součinitel (vliv tření) d2 [N] - střední průměr závitu Matice bude předepjata pomocí utahovacího momentu o velikosti 5300Nmm.

4.4 Řízení Řízení vozidla je obstaráváno pomocí řídítek přímo spojených s přední vidlicí. Řídítka jsou výškově stavitelná a jejich umístění je navrženo s ohledem na polohu sedadla pro zmíněné rozměrové rozpětí uživatelů.

strana

46


Na řídítkách jsou umístěny páky přední a zadních brzd a ovládání měničů převodů ve stejném rozložení jako u horských kol, viz obrázek 4.16. Řídítka jsou zakončena rohy pro umožnění změny polohy rukou.

Obr. 4.16 Řídítka

4.5 Sedadla

4.5

Tvar, materiál a možnost nastavení polohy sedadel jsou voleny tak, aby poskytovaly stabilní oporu a vysokou míru komfortu. Pevný trubkový rám udává vnější tvar a prodyšná textilie tvoří vlastní plochu sedadla.

4.5.1

Hlavní sedadla

4.5.1

Geometrie Opět vycházíme z rozměrů člověka. Bylo použito standardizovaných rozměrů sedaček [3], modifikovaných pro konkrétní účel. Celé sedadlo je horizontálně posuvné po vodících plochách rámu. Nastavení je odstupňováno po 14,5mm a zajišťuje se pomocí rychloupínacího šroubu. Dále je u sedadla možné nastavení náklonu v rozmezí 15° ve čtyřech polohách, opět zajištěno pomocí rychloupínacího šroubu. Hlavní rozměry a možnosti individuálního nastavení prezentuje obrázek 4.17.

strana

47


15º 290mm 290mm

290mm 290mm

290mm Obr. 4.17 Hlavní sedadlo

Boční sedadla jsou opatřena úhlově stavitelnými madly. Ta slouží jako přirozená opora rukou při šlapání, zajišťují stabilitu cestujícího při průjezdu zatáčkou a je na nich umístěno ovládání měničů převodů. Detailní pohled na uchycení sedadla nabízí obrázek 4.18.

Obr. 4.18 Detail uchycení sedadla

Materiály Pro rám sedadla je použito ohýbaných trubek ze slitiny hliníku EN AW 7020 T6 o průměru 30mm a tloušťce stěny 2mm, svařovaných metodou TIG. Vlastní opěrná plocha sedadla je tvořena nylonovou textilií , nataženou a vypnutou o rám sedadla.

strana

48


MKP výpočet Rám sedadla byl pevnostně ověřen pomocí MKP výpočtu. Jedná se o kontaktní úlohu dvou těles: rámu a potahu. Potah sedadla byl zatížen tlakovými účinky od váhy cestujícího a rám byl zavazen pomocí rotační vazby a zamezení pohybu v ose x. Jsou definovány kontaktní oblasti a volná konečno prvková síť je vytvořena pro obě tělesa současně, pomocí metody Sizing. Okrajové podmínky (a) a výsledné rozložení redukovaného napětí (b) prezentuje obrázek 4.19.

Obr. 4.19 MKP výpočet rámu sedadla

Maximální hodnota redukovaného napětí je 47,96MPa. Z toho vyplývá bezpečnost 5,8 ke smluvní mezi kluzu.

4.5.2 Příležitostné sedadlo Sedadlo má jednodušší tvar (obrázek 4.20) a nastavení sklonu je limitováno pozicí bočních sedadel. Je doplněno opěrkami nohou umístěných ve střední části rámu. Jsou použity stejné materiály jako u hlavních sedadel.

4.5.2

Obr. 4.20 Příležitostné sedadlo

strana

49


4.6 Brzdy Pro snížení rychlosti a zastavení je vozidlo vybaveno třemi kotoučovými brzdami ovládanými pákami na řídítkách řidiče (levá páka ovládá jednu kotoučovou brzdu předního kola, prvá páka ovládá současně obě kotoučové brzdy zadních kol). Dále vozidlo obsahuje parkovací brdu, určenou pouze k zabránění samovolného pohybu.

4.6.1 Hlavní brzdy Zadní náprava nese při maximálním zatížení 75% váhy celého vozidla. Z tohoto důvodu jsou zadní kola opatřena silnějšími brzdami a následující výpočet se zabývá právě zadními brzdami. Zadní brzdy Při návrhu brzd se vycházelo z požadavků stanovených Ministerstvem dopravy pro brzdný účinek osobních automobilů [4]. Vozidlo musí být schopné zastavit z počáteční rychlosti na definované maximální brzdné dráze. Pro počáteční rychlost: v0 = 60km ⋅ h −1 = 16,67 m ⋅ s −1 Maximální brzdná dráha je dána vztahem: 2 s = 0,1 ⋅ v0 + v 0 / 150 = 0,1h ⋅ 1000 −1 ⋅ 60km ⋅ h −1 + + 60 2 km ⋅ h −1 / 150h 2 ⋅ 1000 − 2 = 30m v [m/s2] v0

t [s] t1

t2

Obr. 4.21 Diagram zpomalení

Z daného vztahu vyplývá, viz obrázek 4.21, maximální prodleva (t1), dráha během prodlevy brzdění (s1), dráha vlastního brzdění (s2), doba brzdění (t2) a zpomalení (az): t1 = 0,1 ⋅ 3,6 = 0,36s s1 = v 0 ⋅ t1 = 16,67 m ⋅ s −1 ⋅ 0,36 s = 6m

s 2 = s − s1 = 30m − 6m = 24m 2 ⋅ s2 2 ⋅ 24m t2 = = = 2,88s v0 16,67m ⋅ s −1 v0 16,67 m ⋅ s −1 = 5,8m ⋅ s − 2 t2 2,88s Počáteční kinetická energie při brzdění [4]: m ⋅ v02 (85 + 4 ⋅ 100 + 4 ⋅ 35)kg ⋅ 16.67 2 m ⋅ s −1 Wk = = = 86809 J 2 2 Brzdná síla působící ve stopě: Fb = m ⋅ a z = 625kg ⋅ 5,8m ⋅ s −2 = 3625 N Z poloměru kola pak vypočteme brzdný moment: az =

strana

50


M = Fb ⋅ rd = 3625 N ⋅ 318,6mm = 1154925 Nmm Pro třecí moment kotoučové brzdy platí [10]: N f ⋅π ⋅ p ⋅ f α 3 3 T= ( Dout − d in ) 12 360° Nf [1] - počet třecích ploch p [MPa] - stykový tlak f [1] - součinitel tření α [º] - úhel mezikruhové výseče brzdné destičky Dout [mm] - vnější průměr disku din [mm] - vnitřní průměr disku Normálová (přítlačná) síla [10]: π⋅p α 2 2 Fn = ( Dout − d in ) 4 360° Z předchozích dvou vztahů můžeme za předpokladu rovnosti momentů M=T vypočíst normálovou sílu (pro dvě kotoučové brzdy s parametry: Dout=215mm, din=155mm, α=35º, Nf=6, f=0,4 [10], pmax=750psi=5,2MPa [10]): 2 2 3 ⋅ T Dout − d in 3 ⋅ 1154925 N ⋅ mm 215 2 mm − 155 2 mm Fn = = = 7735,7 N N f ⋅ f Dout 3 − d in 3 4 ⋅ 0,4 2153 mm − 1553 mm Ověření přípustného stykového tlaku: Fn 7735,7 N p= = = 4,6 MPa π α π 35° 2 2 2 2 ( Dout − d in ) (215 mm − 155 mm) 4 360° 4 360° p ≤ p max Podle výpočtu bylo navrženo, pro zadní nápravu, použití dvou motocyklových hydraulicky ovládaných kotoučových brzd s průměrem kotouče 220mm. Tato brzda je použita na předním kole dvoumístného motocyklu o hmotnosti 99kg bez náplní a maximální rychlosti 108km/h. Přední brzda Na přední brzdu nejsou, vzhledem k poměru zatížení náprav, kladeny takové požadavky a její využití nebude tak časté. Přední kolo je z těchto důvodů opatřeno účinnou cyklistickou kotoučovou brzdou o průměru kotouče 203mm, ovládanou mechanicky.

4.6.2 Parkovací brzda Parkovací brzda zajišťuje vozidlo proti samovolnému pohybu a není určená pro nouzové brzdění. Ovládání je z tohoto důvodu situováno mimo řídítka řidiče, ale zároveň je pohodlně v dosahu levé ruky. Brzdu tvoří dvě symetrická tělesa připevněná pomocí šroubů k ramenům zadní nápravy, viz. obrázek 4.22. V tělese je umístěn nosník, který se aktivací brzdy vysune mezi paprsky zadního kola a tím zabrání jeho pohybu. Nosník je uložen v plastovém vedení a tlačen pružinou v opačném směru. Ovládání je řešeno pomocí ocelového lanka vedeného k řidiči.

4.6.2

strana

51


Obr. 4.22 Řez parkovací brzdou

Vlastní ovládání tvoří páka a posuvná pojistka (obrázek 4.23). Při aktivaci parkovací brzdy je potřeba překonat odpor pružiny a po té zajistit páku pomocí pojistky.

Obr. 4.23 Ovládání parkovací brzdy

4.7 Zavazadlový prostor Zavazadlový prostor se nachází v zadní části vozidla (obrázek 4.24). Je tvořen třemi hlavními prvky: Drátěné koše- ohraničují prostor mezi zadní nápravou, tlumiči, rámem a čtvrtým sedadlem. Vytvářejí tak prostor pro snadné umístění menších zavazadel. Rám s navařenými oky- slouží k upevnění dalších kusů bagáže. Podélná oka jsou určena pro provlečení popruhů nebo zaháčení pružných lanek k fixaci zavazadel. Čtvrté (příležitostné) sedadlo- může být využito čtvrtým pasažérem, nebo poskytnout další prostor pro zavazadla. Trubkový rám může také sloužit k upevnění fixačních prvků.

strana

52


Obr. 4.24 Zavazadlový prostor

4.8 Osvětlení a reflexní prvky

4.8

Reflexní prvky jsou povinnou výbavou a navržené vozidlo obsahuje (viz obrázek 4.25): 4 zadní odrazky červené barvy 3 přední odrazky bílé barvy 2 reflexní pásky oranžové barvy na vnějších koncích madel 3 odrazky oranžové barvy umístěné v paprscích kol

Obr. 4.25 Reflexní prvky vozidla

Osvětlení není považováno za výbavu a je pouze navrženo použití silného předního světlometu bílé barvy a dvou zadních červených světel - „blikaček“. Pro uchycení světel slouží sloupek přesmykače u řidiče a zadní trubka rámu.

4.9 Příslušenství

4.9

Vozidlo má povinnou výbavu, ale dle uvážení uživatelů je vhodné použití dalšího příslušenství:

strana

53


Držáky na láhve Blatníky Opěrky hlavy Zakrytí řetězu a prvky kapotáže Tachometr Design příslušenství představíme v následujících podkapitolách. Poznamenejme, že 3D modely těchto dílů jsou zjednodušené. 4.9.1 Jednoduché orámování řetězu Nejzákladnější ochranu cestujících proti nechtěnému kontaktu s řetězy primárních převodů tvoří orámování. Jedná se o optickou obálku řetězu, tvořenou svařenými hliníkovými profily. Prezentuje obrázek 4.26.

Obr. 4.26 Příslušenství - orámování řetězu

strana

54


4.9.2 Kryty převodů Laminátové kryty uzavírají významnou část pohyb pohyblivých prvků převodového ústrojí. Jsou doplněny hliníkovými lištami chránícími řetězy a měniče převodů proti poškození od nerovností. Průhledy v krytech odlehčují jejich hmotu a společně s blatníky uceleně dotvářejí vzhled vozidla (viz obrázek 4.27).

4.9.2

Obr. 4.27 Příslušenství - kryty převodů

4.9.3 Kompletní kapotáž U laminátové kapoty vozidla se předpokládá vyztužení trubkovým rámem z hliníkové slitiny. Objem kapoty je opticky odlehčen velkými okny (čelní, střešní, zadní a dvě boční, která rozšiřují řidiči výhled z vozidla). Prostory dveří se uzavírají průhlednými plastovými fóliemi, které se vyrolují a zajistí vůči kapotě. Design kapoty prezentuje obrázek 4.28.

4.9.3

strana

55


Obr. 4.28 Příslušenství - kapotáž

4.10 Finanční rozvaha

4.10

Orientační ceny v Kč jednotlivých dílů a komponentů předkládá tab.4.3. Tab. 4.3 Finanční rozvaha Konstrukční celek Rám Přední vidlice Zadní náprava

strana

56

Komponent/ díl Rám Vidlice RST Space Free Kolo Rameno nápravy Ložisko Poloosa Tlumič Kolo

Cena Cena Kusů výroby nákupu Celkem 1 22000 22000 1 2800 1 4250 1450 2 1100 4 270 2 300 2 1100 2 11480 2700


Řízení

Zavazadlový prostor Reflexní prvky

Řídítka Představec Gripy Rohy Hlavové složení Rám sedadla Posuvný mechanismus Potah sedadla Rám čtvrtého sedadla Uchycení čtvrtého sedadla Potah čtvrtého sedadla Kliky Kazeta Přehazovačka Přesmykač Řetěz Hřídel Ložisko Řetězové kolo Řetěz Napínací ústrojí Přední brzda Zadní brzda Parkovací brzda Koš Reflexní samolepky

Ostatní

Šrouby, matice, podložky...

Sedadla

Převodové ústrojí

Brzdy

1 1 1 1 1 3 3 3 1 1 1 3 3 3 3 4 1 3 2 1 1 1 2 2 2

Celkem Příslušenství

350 290 160 290 500 1400 350 250 1200 150 200

1 3 1 1 3 1 1 1

7550 790 450 650 290 300

500 200 200 200 9540

100 2300 2700

200

8500 600 200

300

300

31260

66010

800 130 380 900

800 390 380 900 900 600 1800 8000

400 300

34750 Blatníky Držák na láhev Tachometr Osvětlení Opěrka hlavy Orámování řetězu Kryty převodů Kapotáž

1590

300 600 1800 7000

strana

57

ZÁVĚR

ZÁVĚR Předmětem diplomové práce je návrh konstrukce vozidla na lidský pohon. Tato konstrukce je podpořena analýzou současně vyráběných HPV. Nejprve byly navrženy rozdílné koncepce řešení a z nich pomocí váhových kritérií objektivně vybrána nejvhodnější varianta. Vozidlo je třímístné a poháněné vždy aktuálním počtem cestujících. V oblasti zavazadlového prostoru se nachází ještě čtvrté (příležitostné) sedadlo, již bez možnosti pohonu. Cestující sedí ve tvarovaných sedačkách (s možností podélného nastavení a nastavení sklonu) v záklonu a kliky s pedály jsou umístěné před nimi. Toto uspořádání zajišťuje pohodlné sezení a tím možnost dlouhodobě a efektivně pohánět vozidlo. Zároveň se zlepšuje přehled o okolí, snižuje těžiště a v důsledku i zvyšuje bezpečnost pasažérů. Řízení a brzdění obstarává řidič sedící vepředu uprostřed a tyto ovládací prvky jsou umístěny pohodlně v jeho ergosféře. Převody ovládá každý cestující sám, i zde je tak kladen důraz na individuální potřeby každého pasažéra. Hlavní nosné díly vozidla (rám, sedadlo, rameno nápravy) byly pevnostně ověřeny pomocí MKP. Prvky převodového ústrojí a brzdy jsou navrženy na základě analytických výpočtů. Vozidlo spadá do stejné kategorie jako jízdní kolo, ale pro konstrukci podvozku jsou použity i motocyklové komponenty. To je opodstatněno větším zatížení jednotlivých dílů. Součástí práce není návrh diferenciálu a přesná specifikace pružící jednotky. Dále by bylo vhodné upravit sedadla i pro uchycení dětských autosedaček, což by ocenily rodiny s dětmi.

Práce splňuje vytyčené cíle a přispívá svým návrhem do velmi málo obsazené kategorie dopravních prostředků - ekologické vozidlo na lidský pohon pro společné cestování. Své využití by našlo například v půjčovnách sportovních potřeb v turistických oblastech, nebo u cestovatelů. Svým důrazem na ergonomická hlediska, jednoduchost a zohledněním individuálních potřeby vychází vstříc široké populaci a především cestovatelé docení pohodlí při dlouhé cestě.

strana

58

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1] HUCHINGSON, R. Dale. New Horizonts for Human Factors in Design. 1. vyd. Department of Industrial Engineering Texas A&M University. 562 s. ISBN 007-030812-2. [2] KUTZ, Myer. Ergonomic Factors in Design, Mechanical engineers' handbook. 2. vyd. Wiley, New York, 1998. 2326 s. ISBN 0-471-13007-9. [3] RUBÍNOVÁ, Dana. Ergonomie. 1. vyd. Akademické nakladatelství CERM, 2006. 62 s. ISBN 80-214-3313-2. [4] VLK, František. Podvozky motorových vozidel. 3. přeprac., rozš., aktualiz. vyd. Brno: Prof.Ing.František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2006. 464 s. ISBN 80-239-6464-X. [5] VLK, František. Teorie a konstrukce motocyklů 2. 1. vyd. Brno: Prof.Ing.František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2004. 661 s. ISBN 80-238-1601-7. [6] WILSON, David Gordon. Bicycling Science. 3. vyd. Cambridge: MIT Press, 2004. 476 s. ISBN 0-262-73154-1. [7] Alcan Děčín Extrusions s.r.o. Profily- využití tvarů [online]. [cit. 2006-08-10]. URL: < http://www.alcan.cz/main.php?lang=cz&s1=vyrobky&s2=profily > [8] Azub. Lehokolo- nová dimenze cyklistiky [online]. [cit. 2006-05-12]. URL: [9] Dunlop. History [online]. [cit. 2006-05-11]. URL: [10] HARTL, Matrin. Přednášky ČMS [online]. [cit. 2006-08-23]. URL: [11] History World. History of Transport and Travel [online]. [cit. 2006-05-03]. URL: [12] International Bicycle Fund. Chronology of the Growth of Bicycling and the Development of Bicycle Technology [online]. [cit. 2006-05-03]. URL: [13] KEMPE, Turija. Historie lehocipedu [online]. [cit. 2006-05-11]. URL: [14] Ministerstvo dopravy. Vyhláška Ministerstva dopravy a spojů ze dne 11. července 2002 o schvalování technické způsobilosti a o technických podmínkách provozu vozidel na pozemních komunikacích. [online]. [cit. 2006-05-12]. URL: [15] MotoPneu. Detail produktu [online]. [cit. 2006-08-13]. URL:

strana

59

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ

[16] Pedaling History Bicycle Museum. A Quick History of Bicycles [online]. [cit. 2006-05-11]. URL: [17] Řetězy Vamberk. Volba válečkového řetězu [online]. [cit. 2006-08-15]. URL: [18] SKF. SKF [online]. [cit. 2006-08-23]. URL: [19] Strojmetal. Info materiály [online]. [cit. 2006-05-16]. URL: [20] ZEM. Specifications 4cycle-ZEM red [online]. [cit. 2006-05-12]. URL:

strana

60

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ FEM HMH HPV MKP TIG VVÚ

- Finite Element Method (metoda konečných prvků) - podmínka plasticity (Von-Mieses) - Human Powered Vehicle (dopravní prostředek poháněný lidskou silou) - metoda konečných prvků - Tungsten Inert Gaz - výsledné vnitřní účinky

a, b, x aos ar az d in d D d2 dA(P,Q,R,S,X,Y) Dout Ds dt1, dt2 f F f ´´ f´ F1 F1ř F1x, F1y, F1z F2 F2ř F2x, F2y, F2z F3 F3x, F3y, F3z FaA, FaB Fb FB FE , F F , F G Fi Fn Fp

[mm] [mm] [m.s-2] [m.s-2] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [1] [N] [mm] [mm] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N]

- obecný rozměr - osová vzdálenost - odstředivé zrychlení - zpomalení - vnitřní průměr brzdného kotouče - malý průměr drážkování - velký průměr drážkování - střední průměr závitu - min. průměr hřídele v průřezu A (P, Q, R, S, X, Y) - vnější průměr brzdného kotouče - střední průměr drážkování - průměr roztečné kružnice hnacího, hnaného řetězového kola - součinitel tření - síla v drážkování - sražení hrany drážkování - účinná plocha drážky o délce 1mm - reakční síla v uchycení přední vidlice - tažná síla v řetězu primárního převodu - složky síly F1 v jednotlivých osách - reakční síla v uchycení vnější pružící jednotky - tažná síla v řetězu sekundárního převodu - složky síly F2 v jednotlivých osách - reakční síla v uchycení vnitřní pružící jednotky - složky síly F3 v jednotlivých osách - axiální reakční síla v ložisku A, B - brzdná síla ve stopě - zatížení odpovídající mezi pevnosti řetězu - výsledná síla v ložisku E, F, G společné hřídele - předpětí - normálová síla - provozní síla

strana

61


FrA, FrB fx F y , Fz g G h´ i I1 I2 imax, imin K k kr l m M M1, M2, M3 Mb Mk mmax Mo MoX (A,P,Q,R,S) N n Nd Nf p P p´ P1 Pc Pdov pI pmax pv rd Re Rm Rp0.2

strana

62

[N] - radiální reakční síla v ložisku A, B 2 [mm ] - plocha kloubu řetězu [N] - složka síly ve stopě v ose y,z -2 [m.s ] - gravitační zrychlení [N] - odstředivá síla na řetězovém kole [mm] - kontaktní výška zubu drážkování [1] - převodový poměr [1] - součinitel tření [1] - součinitel mazání [1] - maximální, minimální převodový poměr primárního převodu [1] - součinitel vlivu tření [1] - součinitel výkonu [1] - rázový součinitel [mm] - délka drážkování [kg] - hmotnost [Nmm]- brzdný moment [Nmm]- krouticí moment na společné hřídeli produkovaný jedním, dvěma, třemi pasažéry [Nmm]- brzdný moment (jedné brzdy) [Nmm]- krouticí moment [kg] - maximální celková hmotnost [Nmm]- ohybový moment [Nmm]- ohybová moment v průřezu X, A, P, Q, R, S [W] - přenášený výkon [s-1] - otáčky [kW] - diagramový výkon [1] - počet třecích ploch [MPa] - tlak [N] - tažná síla v řetězu [mm] - rozteč řetězu [W] - maximální výkon produkovaný jedním pasažérem [N] - celkové zatížení řetězu [MPa] - dovolený tlak [MPa] - měrný tlak v kloubech řetězu [MPa] - maximální dovolený stykový tlak [MPa] - výpočtový tlak [mm] - dynamický poloměr kola [MPa] - mez kluzu [MPa] - mez pevnosti v tahu [MPa] - smluvní mez kluzu


s s1 s2 T t1 t2 Tu v v0 Wk X Y z z1 , z1 α γdyn γstat σ φ

[m] - brzdná dráha [m] - dráha během prodlevy brzdění [m] - dráha brzdění [Nmm]- třecí moment [s] - prodleva brzdění [s] - doba brzdění [Nmm]- utahovací moment [m.s-1] - obvodová rychlost [m.s-1] - počáteční rychlost [J] - kinetická energie [1] - počet článků řetězu [1] - rázový součinitel [1] - počet zubů drážkování [1] - počet zubů hnacího, hnaného kola [º] - úhel mezi kruhové výseče brzdné destičky [1] - dynamická bezpečnost [1] - statická bezpečnost [1] - součinitel vzdálenosti os [1] - součinitel provedení

strana

63

SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ

SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr. Obr.

strana

64

1.1 Skica kola od Leonarda da Vinciho (http://brunelleschi.imss.fi.it) 1.2 Drezína Barona Karla von Raise (www.eidee.de) 1.3 Vysoké kolo (www.ssplprints.com) 1.4 Nízké kolo kolo (www.ssplprints.com) 1.5 Závodní lehokolo (www.velorizontal.com) 2.1 Rikša (http://pics.bg.afisha.ru) 2.2 Moderní rychlostní HPV (www.ent.ohiou.edu) 2.3 Azub Hardcore (www.azub.cz) 2.4 Trice Rapid od firmy ICE (www.ice.hpv.co.uk) 2.5 Trice Expedition Tandem od firmy ICE (www.ice.hpv.co.uk) 2.6 ZEM- 4cycle red (http://www.zem.ch) 3.1 Poloha při šlapání 3.2 Možnosti rozmístění sedadel 3.3 Rozmístění kol 3.4 Lichoběžníková náprava při zatáčení 3.5 Náprava McPheson v kombinaci s tuhou nápravou 3.6 Převod mezi předním a zadním jezdcem 3.7 Varianta A 3.8 Varianta B 3.9 Varianta C 3.10 Varianta D 4.1 Celkový pohled 4.2 Rám vozidla 4.3 Rám - konečnoprvková síť 4.4 Rám - okrajové podmínky 4.5 Rám - rozložení redukovaného napětí 4.6 Rám - celkové deformace 4.7 Převody 4.8 Společná hřídel 4.9 Společná hřídel- VVÚ 4.10 Zadní náprava 4.11 Kyvná polonáprava 4.12 Síly v ložiscích 4.13 Zatížení poloosy 4.14 Rameno nápravy - okrajové podmínky 4.15 Rameno nápravy - redukované napětí 4.16 Řídítka 4.17 Hlavní sedadlo 4.18 Detail uchycení sedadla 4.19 MKP výpočet rámu sedadla 4.20 Příležitostné sedadlo 4.21 Diagram zpomalení 4.22 Řez parkovací brzdou 4.23 Ovládání parkovací brzdy 4.24 Zavazadlový prostor 4.25 Reflexní prvky vozidla

14 15 15 16 16 17 17 18 19 19 20 21 22 23 24 24 25 26 26 27 27 29 30 31 32 33 33 34 35 35 40 41 41 43 45 45 47 48 48 49 49 50 52 52 53 53

SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ

Obr. 4.26 Příslušenství - orámování řetězu Obr. 4.27 Příslušenství - kryty převodů Obr. 4.28 Příslušenství - kapotáž

54 55 56

strana

65

SEZNAM TABULEK

SEZNAM TABULEK Tab. Tab. Tab. Tab.

strana

66

3.1 Váhové zhodnocení variant 4.1 Reakční síly rámu vozidla 4.2 Maximální zatížení jednotlivých hřídelí 4.3 Finanční rozvaha

28 34 39 56

PŘÍLOHY

PŘÍLOHY A.

Technické požadavky na jízdní kola, potahová vozidla a ruční vozíky Příl.13 Technické požadavky na jízdní kola, potahová vozidla a ruční vozíky

Vyňato z 341/2002 Sb. VYHLÁŠKA Ministerstva dopravy a spojů ze dne 11. července 2002 o schvalování technické způsobilosti a o technických podmínkách provozu vozidel na pozemních komunikacích

(1)

Jízdní kola musí být vybavena a) dvěma na sobě nezávislými účinnými brzdami s odstupňovatelným ovládáním brzdného účinku; jízdní kola pro děti předškolního věku vybavená volnoběžným nábojem s protišlapací brzdou nemusí být vybavena přední brzdou, b) volné konce trubky řídítek musí být spolehlivě zaslepeny (zátkami, rukojeťmi apod.), c) zakončení ovládacích páček brzd a volné konce řídítek musí mít hrany buď obaleny materiálem pohlcujícím energii, nebo (jsou-li použity tuhé materiály) musí mít hrany o poloměru zakřivení nejméně 3,2 mm; páčky měničů převodů, křídlové matice, rychloupínače nábojů kol, držáky a konce blatníků musí mít hrany buď obaleny materiálem pohlcujícím energii, nebo (jsou-li použity tuhé materiály) musí mít hrany o poloměru nejméně 3,2 mm v jedné rovině a v druhé rovině na ni kolmé nejméně 2 mm, d) matice nábojů kol, pokud nejsou křídlové, rychloupínací nebo v kombinaci s krytkou konce náboje, musí být uzavřené, e) zadní odrazkou červené barvy, tato odrazka může být kombinována se zadní červenou svítilnou nebo nahrazena odrazovými materiály obdobných vlastností; plocha odrazky nesmí být menší než 2000 mm2, přičemž vepsaný čtyřúhelník musí mít jednu stranu dlouhou nejméně 40 mm, odrazka musí být pevně umístěna v podélné střední rovině jízdního kola nebo po levé straně co nejblíže k ní ve výšce 250-900 mm nad rovinou vozovky; činná plocha odrazky musí být kolmá k rovině vozovky v toleranci ± 15o a kolmá k podélné střední rovině jízdního kola s tolerancí ±5o; odrazové materiály nahrazující zadní odrazku mohou být umístěny i na oděvu či obuvi cyklisty, f) přední odrazkou bílé barvy, tato odrazka může být nahrazena odrazovými materiály obdobných vlastností; odrazka musí být umístěna v podélné střední rovině nad povrchem pneumatiky předního kola u stojícího kola; plocha odrazky strana

67

PŘÍLOHY

nesmí být menší než 2000 mm2, přičemž vepsaný čtyřúhelník musí mít jednu stranu dlouhou nejméně 40 mm, činná plocha odrazky musí být kolmá k rovině vozovky s tolerancí ± 15o a kolmá k podélné střední rovině jízdního kola s tolerancí ± 5o; odrazové materiály nahrazující odrazku mohou být umístěny i na oděvu či obuvi cyklisty, g) odrazkami oranžové barvy (autožluť) na obou stranách šlapátek (pedálů), tyto odrazky mohou být nahrazeny světlo odrážejícími materiály umístěnými na obuvi nebo v jejich blízkosti, h) na paprscích předního nebo zadního kola nebo obou kol nejméně jednou boční odrazkou oranžové barvy (autožluť) na každé straně kola; plocha odrazky nesmí být menší než 2000 mm2, přičemž vepsaný čtyřúhelník musí mít jednu stranu dlouhou nejméně 20 mm, tyto odrazky mohou být nahrazeny odrazovými materiály na bocích kola nebo na bocích plášťů pneumatik či na koncích blatníků nebo bočních částech oděvu cyklisty. (2) Jízdní kola pro jízdu za snížené viditelnosti musí být vybavena následujícími zařízeními pro světelnou signalizaci a osvětlení: a) světlometem svítícím dopředu bílým světlem; světlomet musí být seřízen a upraven trvale tak, aby referenční osa světelného toku protínala rovinu vozovky ve vzdálenosti nejdále 20 m od světlometu a aby se toto seřízení nemohlo samovolně nebo neúmyslným zásahem řidiče měnit, jeli vozovka dostatečně a souvisle osvětlena může být světlomet nahrazen svítilnou bílé barvy s přerušovaným světlem, b) zadní svítilnou červené barvy, podmínky pro umístění této svítilny jsou shodné s podmínkami pro umístění a upevnění zadní odrazky podle odstavce 1 písm. e); zadní červená svítilna může být kombinována se zadní odrazkou červené barvy podle odstavce 1 písm. e); zadní červená svítilna může být nahrazena svítilnou s přerušovaným světlem červené barvy, c) zdrojem elektrického proudu, jde-li o zdroj se zásobou energie, musí svou kapacitou zajistit svítivost světel podle písmen a) a b) po dobu nejméně 1,5 hodiny bez přerušení. (3) Světelná výbava jízdního kola se nepovažuje za výbavu ve smyslu ustanovení § 32 zákona č.361/2000 Sb. (4) Je-li jízdní kolo vybaveno pomocným sedadlem pro dopravu dítěte, musí být toto sedadlo pevně připevněno a opatřeno pevnými podpěrami pro nohy dítěte. Sedadlo a podpěry musí být provedeny a umístěny tak, aby nemohlo dojít ke zranění dítěte při jízdě ani k ohrožení bezpečnosti jízdy. Je-li jízdní kolo vybaveno nosičem zavazadel, musí být tento nosič řádně a spolehlivě připevněn a nesmí ovlivňovat bezpečnost jízdy. (5) Pneumatiky a ráfky nesmí vykazovat trhliny, praskliny a jiné zjevné deformace, které by zjevně narušovaly bezpečnost jízdy. (6) Jízdní kola uváděná na trh po 1. 1. 2003 musí mít na snadno dostupném místě rámu trvanlivě vyznačeno dobře čitelné výrobní číslo nebo být vybavena zařízením jej spolehlivě nahrazujícím. Za spolehlivě výrobní číslo nahrazující zařízení se v tomto případě považuje například i elektronický nosič takové informace, který bude pevně spojen s rámem jízdního kola.

strana

68

PŘÍLOHY

(7) Jízdní kola uváděná na trh po 1. 1. 2003, pokud nejsou vybavena podle čl. 2 této přílohy, tj. pro jízdu za snížené viditelnosti, musí být opatřena jednoznačným a zřetelným upozorněním v návodu k obsluze, že tato kola nejsou za daného stavu vybavení způsobilá k silničnímu provozu za snížené viditelnosti. Jízdní kolo může být vybaveno dodatečně pomocným motorkem, jestliže a) bude nadále zachován původní charakter jízdního kola (podle čl. 1, 2 ), b) pomocný motorek bude přiměřeně plnit podmínky ustanovení § 19 zákona, c) jeho výkon nepřesáhne 1 kW, d) v případě použití spalovacího motoru, nebude mít takový motor objem válce 3 (válců) větší než 50 cm , e) maximální konstrukční rychlost nebude vyšší než 25 km.h-1, f) montáž pohonného systému (motor, nádrž paliva nebo akumulátor) na jízdní kolo si nevyžádá zásah na jeho nosných částech. Pokud vozidlo splňuje všechny výše uvedené požadavky, považuje se pro potřeby tohoto informačního dokumentu nadále za jízdní kolo. (8)

(9) Pro účely tohoto informačního dokumentu se jízdním kolem rozumí i tříkolky a vícekolky, stejně jako vícesedadlová jízdní kola (např. tandemy) a jim podobná vozidla poháněná lidskou silou a určená i k provozu na pozemních komunikacích, jako např. koloběžky. (10)

Potahová vozidla musí být vybavena a) alespoň jednou brzdou snadno, rychle a bezpečně ovladatelnou, b) vpředu dvěma bílými a vzadu dvěma červenými odrazkami shodnými a shodně umístěnými jako odrazky předepsané pro přívěsy, c) za snížené viditelnosti vpředu svítilnou s bílým světlem na straně přivrácené ke středu vozovky nebo dvěma svítilnami s bílým světlem na každé straně vozidla vyznačujícími jeho největší obrysovou šířku; vzadu dvěma svítilnami s červeným světlem na každé straně vozidla vyznačujícími jeho největší obrysovou šířku.

(11) Ruční vozík, jehož šířka přesahuje 0,6 m, musí být vybaven červenými odrazkami netrojúhelníkového tvaru umístěnými symetricky co nejblíže k bočním obrysům vozíku ve stejné výši nad vozovkou.

strana

69

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Recommend Documents