consideraŢii privind stimularea creativitĂŢii … · În cazul proiectului linear s-a dorit...
Post on 22-Jun-2018
216 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1
CONSIDERAŢII PRIVIND STIMULAREA CREATIVITĂŢII
STUDENŢEŞTI PRIN PROMOVAREA PROIECTELOR DIDACTICE
INOVATIVE „LineAR şi BrizAR”
CONSIDERATIONS REGARDING APLICATIONS OF THE ENGINEERING
STUDENT’S CREATIVITY STIMULATION THROUGH THE INNOVATIVE
DIDACTICAL PROJECTS „LineAR and BrizAR”
Adriana-Teodora MANEA, Prof.univ.dr.ing.Universitatea „Ovidius” din Constanţa
Laurenţiu-Claudiu MANEA, Prof.univ.ec.dr.ing.Universitatea „Ovidius” din Constanţa
E-Mail:profmanea@yahoo.com
Rezumat: Lucrarea exemplifică, prin intermediul a două platforme didactice creative, beneficiile utilizării sistemului
mecatronic de control al suspensiei pneumatice a autovehiculului (proiectul LineAR) şi al intervenţiei propulsiei
adiţionale solare sau eoline în dinamica deplasării unei biciclete inovative (proiectul BrizAR), elementele
componente şi modul de funcţionare al acestora şi modul de control şi reglare automată a sistemelor. Prin
construirea acestor aplicaţii creative se simulează (prin localizarea şi identificarea denumirii componentelor
electrice, cât şi prin analiza privind diagnosticarea şi parametrizarea sistemului prin evaluarea variabilelor
mărimilor fizice şi electrice, măsurarea parametrilor, semnalelor şi tensiunilor şi simularea şi identificarea unor
defecţiuni ale componentelor, electronice şi/sau mecanice) comportarea reală a unor sisteme mecatronice, venind în
sprijinul înţelegerii atât a modului de funcţionare, control şi reglare automată a parametrilor suspensiei vehiculelor
(ca în cazul Proiectului LineAR ) cât şi a modificărilor parametrilor dinamici şi a conservării eficiente a efortului
uman la acţionarea unei biciclete prin sisteme de propulsie auxiliare ce integrează energia solară şi eoliană (ca în
cazul Proiectului BrizAR ).
Cuvinte cheie:mecatronica supsensiei automobilelor, standuri mecatronice didactice, creativitate, biciclete
ecologice cu propulsie solară şi eoliană
Abstract:This paper illustrates, through two educational platforms, the benefits of using the mecathronic control
system of a vehicle's pneumatic suspension (LineAR Project), and of the solar and wind additional propulsion in the
dynamic functioning of an innovative bike (BrizAR project), in respect with the components and their mode of
operation and the control and automatic adjustment mode of the system. In the LineAR Project, by building an
educational stand which simulates the real behavior of this mecathronic system, we aim to support the
comprehension of both the operation, control and automatic adjustment mode, by the localization and identification
of the electric components and through the analysis regarding the diagnose and parameterization of the system
through the evaluation of physical and electrical variables, the measurement of parameters, signals and voltages
and the simulation and identification of some malfunctions of the electronic and/or mechanic components. In the
BrizAR Project we assist the basic principle of cycling in our experimental model by a mecathronical system which
permit the optimization of the human effort including in the complex formula of moving on roads or waters the
power of the light and the wind. We expect that the project will be considered, in a creative way of speaking, as our
Constanta “Ovidius” University’s team contribution to the global polluting combat.
Keywords:Automotive Suspension mechatronics, applied automotive mechatronics, special didactical learning
platforms, technical automotive laboratory stands didactical car prototypes, Bike Mechatronics, applied
mechatronics, didactical bike prototypes
2
1. Introducere
Proiectele propuse au făcut parte succesiv din aplicaţiile practice ale calculelor teoretice
realizate de absolvenţi în cadrul lucrărilor de licenţă şi disertaţie având ca rol îmbunătăţirea
procesului instructiv-educativ din laboratorul de mecatronica automobilelor prin stimularea
intuitivă a studenţilor în diagnosticarea sistemelor mecatronice moderne, cu referire directă
asupra analizei parametrilor sistemului de suspensie pneumatică (în cazul Proiectului LineAR) şi
optimizării intervenţiilor surselor de propulsie adiţională (solar-electrică şi eoliană - în varianta
Proiectului BrizAR).
2.Configurarea creativă a proiectelor
În cazul proiectului LineAR s-a dorit analiza utilizării suspensiei cu elemente elastice
pneumatice la autovehicule, îndeosebi la autocamioane – variantă ce contribuie esenţial la
creşterea fiabilităţii acestora datorită reducerii uzurii pieselor aflate în mişcare relativă,
asigurării stabilităţii la încărcarea neuniformă şi posibilităţii de majorare a sarcinii utile. Pe
lângă aceste beneficii, suspensia pneumatică s-a dovedit că mai contribuie şi la reducerea
sarcinilor dinamice verticale, micşorând amplitudinea oscilaţiilor caroseriei şi a frecvenţei
acestora, făcându-le suportabile pentru conducător şi pasageri, dar şi pentru marfa transportată.
Elementul elastic pneumatic a fost raţional să fie introdus în special în componenţa suspensiei
autovehiculelor la care greutatea maselor suspendate variază în limite largi în funcţie de
încărcătură, sau unde se doreşte o mărire a confortului la rularea pe suprafeţe denivelate. Prin
modificarea presiunii aerului din elementul elastic pneumatic se poate regla automat rigiditatea
suspensiei, astfel încât frecvenţa vibraţiilor proprii să rămână aceeaşi, indiferent de valoarea
sarcinii statice [1], [3].
Conform informaţiilor furnizate de firma producătoare de echipamente şi tehnologii pentru
autovehicule WABCO, scopul de bază al sistemului mecatronic de control al nivelului este de a
corecta şi echilibra orice deviaţie de nivel între şasiu si axa controlată, deviaţia reprezentând
abaterea de la distanţa stabilită dintre acestea. Aceste abateri pot fi determinate fie de modificarea
sarcinii, fie de modificarea voită a valorii nominale de către conducătorul autovehiculului, prin
intermediul unei telecomenzi.
Principiul de funcţionare este reprezentat în Figura 1,a: Un senzor inductiv de distanţă
(nivel) 3 este montat pe şasiul autovehiculului şi este conectat la axa acestuia printr-un sistem de
pârghii, acesta având rolul de a evalua (măsura) permanent distanţa dintre acestea. Valoarea
măsurată este utilizată ca valoare reală în bucla de control si este transmisă unităţii electronice
de control. Aceasta compară valoarea reală cu valoarea nominală, valoare predefinită în
memoria unităţii electronice. Controlul nivelului este o funcţie care monitorizează distanţa între
şasiul şi osia vehiculului ca funcţie de bază pe care trebuie să o realizeze sistemul mecatronic
pentru controlul nivelului, aceasta fiind necesară pentru reajustarea distanţei din cauza diverşilor
factori perturbatori (cum ar fi starea drumului sau a valorii nominale de încărcare a
autovehiculului). Pentru înţelegerea eficientă a modului în care sistemul mecatronic controlează
procesul de control al nivelului, în figura 1,b este reprezentată structura de reglare şi funcţionare
a controlului automat (electronic si pneumatic) al suspensiei pneumatice. Astfel:
3
1-unitate electronică de control; 2-telecomandă; 3-senzor de nivel;4-supapă electromagnetică; 5-pernă pneumatică
a Sistemul mecatronic de bază pentru corecţia nivelului [1]
b. Structura sistemului mecatronic pentru controlul nivelului [1]
Fig. 1 Sistemul mecatronic de control al suspensiei autocamionului real Sursă: Wabco
Un senzor de nivel sau cursă 3, (fig. 2) captează în mers poziţia înălţimii şasiului faţă de axa de sprijin şi
transmite valorile măsurate unităţii electronice de control. Dacă după evaluare unitatea electronică
recunoaşte o abatere de la
nivelul impus, supapa
acţionată electromagnetic
4 primeşte o comandă ca
prin alimentarea sau
evacuarea de aer
comprimat în/din pernele
de aer să se atingă nivelul
necesar. Printr-o unitate de
comandă de la distanţă 2
conducătorul vehiculului
poate, sub un anumit prag
de viteză impus sau în
staţionare, să modifice
nivelul impus, spre
exemplu pentru descărcări
la rampă (fig.3).
1-unitate electronică de control; 2- unitate de control de la distanţă; 3-senzor de
nivel (cursă); 4-supapă electromagnetică; 5-pernă suspensie pneumatică
Fig. 2 Schema de bază a sistemului mecatronic de control al suspensiei
pneumatice [1] Sursă: Wabco
4
Prin intermediul unor
lămpi de semnalizare
optică, se poate afişa
cu o lampă roşie
starea de funcţionare
incorectă şi cu o
lampă galbenă nivelul
de lucru al
autovehiculului
diferit de nivelul
prescris pentru mers
(nivelul normal). Luminarea continuă a lămpi roşii poate indica prezenţa unei defecţiuni depistată
de către unitatea electronică de control în sistem, culoarea verde reflectând nivelul optim.
3.Realizarea standul didactic „LineAR”
Construcţia standului educaţional a fost posibilă prin utilizarea senzorului de distanţă, a
unităţii de comandă electronice şi a unei telecomenzi produse de firma WABCO, asamblate ca în
fig. 4 într-o structură - panou, respectând schema electrică de conexiuni a producătorului.
Mişcarea de translaţie a elementului elastic pneumatic a fost simulată prin suprapunerea şi
deplasarea a două imagini ale acestuia. O parte a imaginii este fixă şi conţine desenul
elementului elastic şi legătura cu axa (partea de jos), iar partea mobilă pe care este montat
senzorul de nivel conţine desenul elementului elastic, partea de legătură cu şasiul.
Simulatorul mişcării de
translaţie este format
dintr-un motor de curent
continuu de 24 Volţi,
prevăzut cu reductor cu
melc - roată melcată
care antrenează în
mişcarea de rotaţie un
şurub. Prin rotirea
acestuia în interiorul
unei tije prevăzută cu
filet interior într-un sens
sau altul se efectuează
mişcarea de translaţie a
acesteia. De tijă prin
intermediul a două
resoarte este prinsă
placa şasiului pe care
este montat senzorul de distanţă (nivel). Partea mobilă a senzorului este legată de partea fixă prin
intermediul unor pârghii. Prin mişcarea plăcii, senzorul măsoară diferite poziţii, iar valorile
măsurate sunt transmise unităţii electronice de control. Arcurile elicoidale sunt folosite pentru
Fig. 4 Standul educaţional mecatronic „LineAR”
1-sub nivel; 2-nivel standard; 3-peste nivel.
a. Semnal de nivel al senzorului b. Semnal de Ceas c. Semnal Date
Fig. 3 Forme semnal detectabile in sistemul LineAR[2]
5
simularea elasticităţii pernei pneumatice. Rotirea în cele două sensuri este asigurată de comanda
care vine de la unitatea electronică de control şi care trece printr-un inversor electronic de sens.
Acest simulator este folosit pentru a înlocui demonstrativ supapa electromagnetică şi perna
pneumatică, implementarea acestora, în condiţii de laborator, presupunând utilizarea unui sistem
presurizat de aer comprimat, considerat periculos în context didactic.
Conexiunile electrice între unitatea de comandă electronică şi celelalte componente s-au
realizat prin intermediul unor borne de conexiune electrică, dispuse pe desenul schemei electrice
de conexiuni, cea ce permite conectarea şi deconectarea acestora, astfel încât se pot simula unele
defecţiuni, fiind posibilă măsurarea valorilor acestora cu un multimetru, sau vizualizarea
semnalelor cu ajutorul unui osciloscop. În fig.3,a este reprezentat semnalul senzorului de
distanţă, în fig.3,b semnalul ceas, iar în fig. 3,c semnalul de date provenind de la telecomandă
(vizualizate pe osciloscopul din laborator), semnalul fiind posibil de investigat didactic de la
bornele de conexiune special adaptate. Standul mai este prevăzut şi cu o mufă ce permite
conexiunea cu o unitate de diagnosticare Off-board, ceea ce facilitează atât diagnosticarea
electronică a sistemului, cât şi parametrizarea acestuia.
3.Realizarea prototipului didactic „BrizAR”
Vehiculele de tip bicicletă cu propulsie mixtă,
ocupă un loc tot mai important între preocupările
constructorilor din domeniu. Datorită faptului că
dispun de două sau mai multe sisteme de propulsie
ce folosesc diferite tipuri de energie, printre care cea
electrică şi forţa musculară pe care le folosesc în
mod alternant sau chiar simultan, aceste vehicule au
emisii poluante mult diminuate sau chiar zero.
Comutarea între cele două sisteme de
propulsie, la fel ca şi folosirea în tandem a acestora,
se poate face în multiple moduri. Sistemele ce
asigură managementul energiei permit combinarea
funcţionării acestora într-o gamă variată. În general
punerea în mişcare a vehiculului de tip „duble seat
bike” este asigurată cu ajutorul pedalelor, în timp ce
propulsia la viteze sau sarcini peste valori
prestabilite, este asistată de motorul electric şi
posibil prin aportul eolian.
Folosirea temporară a motorului electric, doar
dacă funcţionarea celorlalte sisteme nu este dorită sau nu se desfăşoară la un regim eficient,
este realizată prin folosirea unor acumulatori de o capacitate mică de tip LiIon (având în vedere
că tehnologia în domeniu a evoluat-, permiţând obţinerea de acumulatori cu capacităţi sporite şi
timpi de încărcare reduşi).
Poate fi interesanta ideea avansată în proiectul teoretic şi anume aceea de a utiliza vehiculul
atât pentru a se deplasa terestru cât şi pe suprafaţa apei, adaptarea necesitand un timp destul de
redus şi constând din echiparea cu flotoare în prealabil, eventual şi cu velă şi catarg -trecerea de
Fig. 5 Realizarea proiectului BrizAR
6
la un mediu la altul necesitând existenţa unui plan înclinat de lansare/ieşire. In ultima vreme
conceptul de bicicletă cu tracţiune electrică a căpătat o răspândire destul de mare, atât prin
dezvoltarea de acumulatori performanţi, cât şi prin folosirea de motoare electrice cu o construcţie
simplă şi adaptată destinaţiei velo. Unităţile electronice de control ale motoarelor au fost
miniaturizate şi
terminalele de comandă
mecatronică au fost
optimizate pentru o
utilizare confortabilă şi
eficientă. Sistemul de
asistare electrică a
propulsiei, propus
pentru acest proiect, se
bazează pe utilizarea
unui motor de curent
continuu DC fără perii,
(BLDC motor),
traductor de turaţie şi
modulator de cuplu
mecanic. Acestea pot asigura deplasarea cu asistenţă la pedalare, în mod independent, sau pot fi
adaptate efortului muscular la învingerea rezistenţei de rulare.
Sistemul electric asistă un mecanism tip manivelă dotat cu pedale ce este dispus în dreptul
fiecăruia din cele două locuri ale cockpit-ului, ocupantul locului din stânga având şi rolul evident
de a conduce vehiculul,
iar cel din dreapta de a
manevra vela (realizată
dintr-un material
fotosensibil generator
de curent electric
stocabil în baterii).
Fiecare dintre
ansamblurile cu pedale
se sprijinită pe lagăre cu
rulmenţi. Către ieşire,
acestea sunt conectate
prin intermediul unor
mecanisme cu clichet
care vor face posibil
pedalatul în ritm
individual şi alegerea
efortului de tracţiune
dorit de fiecare ocupant.
Fig. 7 Proiectul BrizAR premiat internaţional la InoPoCBike Contest
SC Ina Schaeffler Germania, filiala Braşov, 2015
Fig. 6 BrizAR pe calea rutieră şi acvatică
7
Motorul electric reversibil a fost amplasat, în varianta proiectată, în locul arborelui de
legătură dintre cele două mecanisme tip clichet. Mişcarea se transmite astfel de la pedale prin
intermediul rotorului motorului electric. Rotorul are montată pe una din feţele laterale o roată
dinţată conică ce asigură, împreună cu pinionul montat pe primul arbore al transmisiei şi cu
flanşe elastice, o transmisie la 90 grade. Statorul
motorului, la rândul lui, este montat astfel încât să
poată fi rotit cu aproximativ 30 grade în jurul axei
de rotaţie şi blocat în poziţia aleasă. Arborele de
transmisie cu flanşă elastică face legătura cu
transmisia principală. In varianta realizată practic
constrângerile materiale au evidenţiat oportunitatea
introducerii motoarelor electrice în butucul roţilor
faţă, cu modularea asistenţei la pedalare în
momentul încărcării suplimentare a roţilor faţă odată
cu rezistenţa creată de existenţa propulsiei eoliene
(materializată prin cataerg si velă). Sistemul de
propulsie cu velă rigidă folosit este detaşabil. O altă
variantă luată în calcul este rabatarea catargului şi
plierea velei (articulate ca şi catargul de altfel),
acesta din urmă devenind astfel un hard-top pentru
cockpit-ul vehiculului. Plierea sistemului poate fi
operată în mod manual deoarece sistemele ajutătoare
ar îngreuna inutil structura. Orientarea velelor va
putea fi realizată prin intermediul catargului, cele
două elemente fiind solidarizate. Controlul rotirii
catargului, va fi realizat din cockpit cu ajutorul unui levier. O altă posibilă utilizare a acestui
vehicul ar putea fi aceea de vehicul amfibiu. Cu ajutorul a două flotoare construite din câte trei
module rabatabile, bicicleta cu patru roți poate deveni catamaran. Aceste flotoare au nevoie de un
sistem de braţe rotitoare ce asigură depărtarea de saşiu. În acest caz propulsia este asigurată prin
acţionarea de către motorul electric sau pedale a unui arbore port elice. Acesta din urmă poate fi
schimbat din poziţia sa de transport rutier în pozitia de propulsie a catamaranul pe suprafaţa apei.
Pentru guvernare, se poate folosi o cârmă controlată prin rotirea volanului în direcţia dorită.
Proiectul BrizAR a a fost expus şi a partcipat la Concursul internaţional INO POC Bike
organizat de SC INA Schaeffler din Germania, la Braşov, în anul 2015. Proiectul şi modelul
experimental au fost evaluate de comisia internaţională care a jurizat participanţii la concursul de
vehicule inovative de tip ecologic şi BrizAR a fost recompensat, după probele demonstrative în
care şi-a validat calităţile dinamice şi ecologice, cu premiul Sisteme inovative de propulsie
pentru biciclete, în anul 2015. Cupa şi diplomele echipei câstigătoare a programului de studiu
Autovehicule rutiere formele de învăţământ cu frecvenţă şi cu frecvenţă redusă (IFR) din
Universitatea „Ovidius” din Constanţa au contribuit la promovarea creativităţii studenţilor
constănţeni şi validarea aprecierii acesteia la nivel internaţional.
Fig. 8 BrizAR – Premiat în faţa
Universităţii “Ovidius” din Constanţa
8
4. Concluzii
Alături de facilităţile aduse în procesul de aplicare a cunoştinţelor inginereşti prin proiecte
practice, standul didactic LineAR şi prototipul didactic BrizAR au canalizat şi apoi au reprezentat
capacitatea inginerească aplicativă a studenţilor noştri care au dus până la capăt proiectele
asumate teoretic, demonstrând, în ciuda greutăţilor de ordin material, că acestea sunt viabile şi
pot deveni realitate.
Mulţumim studenţilor noştri (Răducan Marius, Ionel Şerban şi multor multor altora),
pentru încrederea în noi şi pentru sprijinul acordat în dotarea laboratoarelor specializării
Autovehicule rutiere din Universitatea „Ovidius” din Constanţa şi pentru că prin stradania lor
neobosită au lăsat generaţiilor viitoare o bază academică de înţelegere la nivel practic a
cunoştinţelor.
Considerăm că acţiunea lor, prin participarea la Concursul internaţional INO POC Bike
2015 şi Congresul internaţional de Autovehicule şi transport internaţional CONAT 2016, [3] , [4]
au constituit o promovare de succes a imaginii universităţii noastre şi a învăţământului
superior de automobile constănţean, ce a găsit în profesorii, studenţii şi absolvenţii săi resursele
de a supravieţui şi de a se face cunoscut prin realizări de excepţie.
Acesta este crezul şi răspunsul nostru în viziunea comemorării, la 2000 de ani, a poetului pontic
Ovidiu !
Bibliografie
[1]. www.wabco-auto.com
[2]. TEXA IDC 4 Truck Plus v. 39, Texa SpA.
[3]. Şerban I., coordinated by Manea, L., Manea A., The Mechatronic Control System of vehicle's
Pneumatic Suspension-Educational Stand, International Congress of Automotive and transport
Engineering, Editori: Chiru,A., Ispas, N., Preda, I., Transilvania University Press, Braşov 2016, ISSN
2069-0401 / ISSN 2069-0428, pag.355-361
[4]. Răducan M., Şerban I., coordinated by Manea, L., Manea A., BrizAR a didactical and Ecological
Prototype Boby-smARt a didactical prototype, International Congress of Automotive and transport
Engineering, Editori: Chiru,A., Ispas, N., Preda, I., Transilvania University Press, Braşov 2016, ISSN
2069-0401 / ISSN 2069-0428, pag.371-378
top related