Project constructief ontwerpen. Door Tinne, Birger en Maxim. Schakels Industrieel Ontwerpen
18-01-2012
Testing the bike
Om het filmpje te zien: klik telkens op het eerste woord van de zin.
Een filmpje,
waar we de vervorming van de kader zonder strengen filmen, toont aan dat de
kader niet stijf genoeg is zonder strengen.
Een
filmpje, waar we de vervorming van de kader met strengen filmen, toont aan dat
de kader stijf is met strengen.
Een rijtest
buiten, toont aan dat de fiets een lange afstand kan afleggen.
Een rijtest
binnen, volgens een parcours, toont aan dat de fiets kleine bochtjes kan nemen. De
bochten die tangentiele krachten veroorzaken, hebben geen invloed op de kader. Door
de splitsing zal de rechterkant van de splitsing de uitwijking naar links (door
de tangentiële kracht) tegenhouden.
Bij het
opspannen beginnen we met de centrale horizontale streng. Bij het aanspannen
wil de kader uitzetten naar boven en onder. Deze uitzetting houden we tegen met
een centrale verticale streng. Deze streng zal ook de splitsing van de
horizontale strengen teweeg brengen.
Tijdens het opspannen geven de we de kader een
kleine voorspanning in de richting van daar waar de toekomstige streng zal komen.
We werken met strengen van telkens 6 meter, anders slijt de streng te veel, als
we deze telkens moeten doorhalen, door de scherpe randen van de gaatjes in de
kader.
Het spannen zelf doen we met spierkracht, na het spannen klemmen we de
streng met een snelspanner. Nu kan deze streng in de andere richting gespannen
worden en op zijn beurt geklemd worden met een andere snelspanner. De eerste
snelspanner mag nu losgemaakt worden. Dit proces voor heel het kader.
Alle strengen
die elkaar kruisen worden gevlochten, zelfde principe als bij een tennisraket
(boven, onder, boven). De horizontale strengen worden gesplitst en beginnen dus
op een bepaald moment tesamen. Vanaf het begin tot het einde worden ze met
elkaar verdraaid. Later, om de kader op spanning te zetten, zullen we de
horizontale verdraaide strengen extra spanning geven door deze bij te draaien.
Ter hoogte van het achterwiel is de splitsing van de strengen niet breed
genoeg. Hier passen we terug het principe van tensegrity toe. Buisjes tussen de
strengen verbreden die splitsing zodat het wiel er tussen past.
Foto: tinnen en birger aan het werk.
Foto: buisjes verbreden splitsing om meer plaats te maken voor het wiel.
Foto: de horizontale strengen zijn verdraaid met elkaar tot aan de splitsing, vanaf daar splitsen ze naar de achtervork.
Foto: opspannen van de strengen voor een stijvere kader, de horizontale strengen worden extra bijgedraaid.
Foto: de orientatie van de strengen klopt, de ketting passeert door twee strengen door.
Foto: recupereren van een oude ketting lukte net niet, met drie slotjes langere ketting komen we toe.
Foto: onderkant fiets, het tandwiel zit nu aan de juiste kant. De splitsing in gerealiseerd met twee dunne metaalplaatjes, door een kracht op de pedalen uit te oefenen zullen deze plaatjes een lichte buiging maken.
Het
probleem bij het uitvoeren van een te lage achter splitsing is nu opgelost. We
hebben de voorvork verlengd met twintig centimeter. Door de verlenging komt de
kader hoger te staan en hebben de pedalen een acceptabele traphoogte. Nu de
voorvork verlengt is komt deze verder van de kader te staan en is er dus een
groter moment op het kader. Door het stuur 180 graden te draaien zal dit moment
(veroorzaakt door eigen gewicht van de fiets) verkorten, te kort zelf waardoor
het wiel automatisch wil verdraaien rond zijn verticale as naar de begin
positie. Tijdens het rijden zal dus, door het gewicht van de fiets en gewicht
van de fietser , het moment op de vork vergroten en dus het wiel naar voor
willen roteren rond zijn verticale as.
Het
achterwiel is ondertussen ook omgedraaid, anders zouden we achteruit moeten
trappen en dus ook achteruit rijden. Het voorste tandwiel moest dus ook van
plaats veranderen. Ons eerste plan was deze te lassen op de as, we hebben de
kogellagers gedemonteerd en konden dus de trapas verdraaien. Nu kan het
tandwiel wel geplaatst worden aan de juiste kant zonder te lassen.
Het hele ontwerp licht nu achter de rug, nu kunnen we beginnen aan de uitwerking ervan.
De eerste stap is het aankopen van stalen latten ((2x30mm*3mm, 2x15mm*3mm)*1m). De bredere latten dienen voor de voorste radiussen, de dunnere latten dienen voor de splitsing.
We geven met de rolbank de latten hun radius en booglengte. Aan de hand van een tekening op schaal 1:1 bepalen we waar de latten overlappen.
Met een puntlas leggen we de overlapping vast.
Een bestaande fiets slijpen we in stukken, enkel de wielen, de voorvork, trap-as en zadel hebben we nodig.
De voorvorkbuizen krijgen de juiste hoek aangeslepen en worden daarna ook met puntlassen vastgelegd.
Het geheel wordt door de technische school PTI vastgelegd door een definitieve las.
We hebben de gaatjes achteraf geboord omdat tijdens de rolling van de latten de sterkte van het staal, ter hoogte van de doorsnede met gaatjes, minder groot is dan van de doorsneden zonder gaatjes.
Bij het monteren van de trap-as zien we al snel een fout in de constructie, het tandwiel zit aan de verkeerde kant waardoor we achteruit zullen moeten trappen. Een 2e fout zit in de hoogte van de pedalen, deze zitten namelijk tegen de grond. Er moet een fout gebeurd zijn zijdens het lassen van de achterste splitsing. Die splitsing zit veel te hoog. We hebben de voorvork nu langer gemaakt waardoor onze stringbike een loweriderbike wordt. Nu de voorvork langer is komt er een groter moment op het ei terecht, hopelijk is deze sterk genoeg om de krachten op te vangen.
We maken een 3D model in NX om het gespleten ei te kunnen visualiseren:
In bovenaanzicht ziet het ei er op deze manier uit, de splitsing wordt opgevangen door twee metalen platen:
Bovenste splitsing:
Onderste splitsing:
Deze fiets wordt helemaal uit elkaar gehaald om de vork, zadel en wielen te gebruiken:
Uitlijning van de splitsing:
Puntlassen van de booglengten en controle van de vormen met de tekening:
De volgende stap was om van een tennisraket naar
een ei-vorm te gaan.
Een ei heeft overal een bolle kant. Bij belasting
zal de vorm dus altijd naar buiten uitwijken. Om deze uitwijking naar buiten te
voorkomen worden strengen geplaatst die onder spanning komen te staan.
We gaan de vorm groter maken dan een regular fietskader
Nu kruist het achterwiel het ei.
De oplossing is om het achterste stuk van het ei te
splijten zodat het achterwiel in de splitsing past.
We kopiëren de vorm van een ei en stellen de
afmetingen een beetje bij. Nu zitten we met verschillende radiussen. De grootste
radius zit in de trekzone, de kleinste radius in de drukzone van het kader (zie
tekening autocad).
Eerste gedachte om met cirkels te werken:
Door de vormgeving van een ei kan deze grote drukkrachten opnemen, onderstaande ei integreren we in het kader:
Krachlijnen van de stuurstang en achterwiel komen op het ei:
We passen de radiussen een beetje aan, aan de bovenzijde is er een grote druk dus verkleinen we daar de radius, beneden is er een grotere trek in het ei dus gaan we daar de radius vergroten:
Het uiteindelijke resultaat van het eikader met de verschillende radiussen en booglengten:
Als de kabels tussen het frame opgespannen moeten worden, moet het frame altijd hol staan aan de kant waar de kabels gespannen worden. Op die manier zullen de kabels het frame maar weinig vervormen.
Als het frame met tensegrity cirkelvormig is, zal het zeer klein moeten zijn ten opzichte van de rest van de fiets om de proporties van de gewone fiets te kunnen behouden. Het frame zou dus zo gemaakt moeten worden dat het grotendeels op tensegrity berust, maar toch de verhoudingen van de gewone fiets bewaart (hoek/afmetingen zadel tegenover trappers, wielen en stuur)
Deze waren testmaquetjes om te kijken in welke richtingen de draden de krachten goed opvangen: De rode pijltjes geven aan in welke richting de belasting goed opgevangen wordt De blauwe pijltjes geven aan in welke richting de belasting niet zo goed opgevangen wordt
Frame 1 ('driehoekig')
eerste maquette In het eerste frame werden de draden diagonaal en verticaal zoals bij een tennisraket opgespannen. De krachten op de bogen met een kleine radius werden goed opgevangen, de krachten op de bogen met een grote radius werden totaal niet opgevangen
tweede maquette In het tweede frame werden de draden tussen de bogen met de kleine radiussen en de bogen met de grote radiussen gespannen. Hier worden de krachten op de bogen met kleine radiussen ook zeer goed opgevangen, de krachten op de bogen met de grote radiussen worden nog niet genoeg opgevangen. (wel al beter dan in de eerste maquette)
Frame 2 (rond)
eerste maquette Bij frame twee werden de kabels kruiselings gespannen volgens enkele richtingen van de diameter. Dit bleek een vrij zwak frame te zijn, zeker op de plaatsen waar de 'koorden' van de cirkel zitten.
tweede maquette In de tweede maquette werden draden volgens een aantal koorden van de cirkel gespannen. Dit maakte echter geen verschil.
Een tweede maquette bestaat uit een metalen ring en nylon strengen.
Uit de brico hebben we 2 stalen latten gekocht. Deze hebben we gerold tot twee halve cirkels die later aan elkaar werden gelast.
Nadien hebben we op een regelmatige afstand gaten geboord met de kolomboormachine.
Als materiaal voor de strengen hebben we nylon van een batmintonraket gebruikt. Dat materiaal rekt uit tot een bepaald punt en heeft dat zijn totale trekspanning. In de gaten hebben we plastieken dopjes van de batmintonraket gebruikt, hierdoor zal de nylon niet beschadigd worden in de hoeken van het boorgat.
De ring wordt terug zoals bij de vorige maquette over spijkers gelegd. Hierdoor zal bij het aanspannen van de nylonstrengen de ring niet meer vervormen.
Na vlechten en aanspannen van de strengen voeren we een aantal testjes uit.
Blijkt dat de ring verrassend grote kracht kan opnemen in de lengterichting van de strengen.
Als we de ring 45graden verdraaien en de ring dan belasten buigt deze met gemak door. Dit komt omdat er geen strengen zijn die de uitwijkende ring (door belasting) tegenhouden. We moeten dus in ons tennisraketontwerp gekruiste strengen voorzien.
Na een supergrote belasting wordt de knoop (begin van de nylonstreng) door het gat getrokken.
Voor het frame nemen een PS strook van 2cm breedte. Hierop boren we op regelmatige afstand van drie centimeter een gaatje waardoor de strengen zullen komen. We plooien de strook tot een cirkel op een plank met spijkers. Die spijkers nemen de ruwe vorm aan van de raket.
Door deze spijkers zal tijdens het opspannen van de strengen de strook niet vervormen.
Na het vlechten en opspannen van de strengen mag het kader van de spijkers afgehaald worden.
Na een paar druktesten blijkt onze maquette geslaagd. De PS-strook is niet stijf dus bij drukbelasting buigt deze al snel door.
De strengen behouden de vorm redelijk goed in bedwang. Als we een belasting in de lengterichting van de strengen uitvoeren wordt de kracht mooi langs de PS-strook overgebracht naar de zijkanten en dan naar de grond.
-knik in streng brengen door, onder spanning, een verticale tweede streng naar het scharnierpunt te brengen. (hierdoor zal de trilling grotendeels tegen gehouden worden) de hoofdstreng bestaat nu uit twee korte delen, deze korte delen zullen minder lang natrillen dan een lange streng. Deze uitvoering voor elke hoofdstreng in de fiets. Volgens Rino is dit een realistische oplossing. Zie foto 1
-de hoofdstreng ontdubbelen en in het midden verbinden met elkaar door middel van een vierkant blokje. In de bocht wordt een van de twee strengen harder opgespannen. De trillingen worden hier via het blokje overgebracht naar de tweede parallelstreng. Dit blokje zorgt er nu ook voor (zoals bij het eerste idee) dat de strengen uit twee delen bestaat, hier zullen de strengen dus minder lang natrillen. Dit zal via test uitmaken of het werkt. Zie foto 2
-tennisraketframe waarbij de strengen alle krachten in de kader opvangen. Verticale strengen voorkomen dat de kader inklapt door de spanning van de horizontale strengen op de kader. Het handvat is gesplitst en maakt plaats voor het achterwiel. Volgens Rino is dit een realistische oplossing. Een opmerking was wel dat bij dwarskrachten (in de bocht, centrifugaalkrachten) op de kader, deze zou knikken. => Als we een tennisraket dwars doorsnijden zal je zien dat deze een platte snede heeft, traagheidsmoment is groter in dwarse richting dan in langse. Zie foto 3
Deze video's van autodesk leren de trek-en drukkrachten op een fiets beter te verstaan. In deze filmpjes wordt ook uitgelegd hoe je constructies lichter kunt maken aan de hand van uitholling van het materiaal die je gebruikt, rekening houdend met de krachten die op je ontwerp zullen komen. Tensegrity is ook een manier om een constructie lichter te maken en is terug te vinden in een fiets --> de spaken en de banden van een fiets steunen op het tensegrity principe.
tensegrity principe - de spanfiets van Frans de la Haye
Tensegrity is een combinatie van de woorden tension en structural integrity.Tensegrity structuren zijn opgebouwd uit buizen en staalkabels. De buizen vangen hierbij de drukkrachten op en de kabels vangen de trekkrachten op. Frans de la Haye heeft reeds een fiets bedacht die steunt op het tensegrity principe. De fiets werd echter nooit gecommercialiseerd omdat de kabels de zijdelingse krachten op de fiets niet zo goed konden opvangen.
