Engineering Experience 4: Design a Small Solar Vehicle/Nl/2012: Team PM4

Team SolarFlare
Het EE4-project is een project dat deel uitmaakt van het tweede semester van de tweede fase Industrieel Ingenieur aan de hogeschool Groep T te Leuven. Tijdens dit project wordt een ‘Small Solar Vehicle’ (SSV) ofwel ‘kleine zonnewagen’ gebouwd in teams van acht personen. Dit team, genaamd SolarFlare bestaat uit acht leden die uit twee groepen (groep 2 en 3) afkomstig zijn. Gedurende het komende semester zullen zij een zonnewagen bouwen vanaf nul om daarmee deel te nemen aan een wedstrijd. Bij deze wedstrijd moet de zonnewagen het in de afbeelding afgebeelde parcours afleggen.

De wedstrijd zal plaatsvinden in week 11, 12, 13 of 14. Team SolarFlare dingt mee naar de eerste plaats, maar hoopt ook de prijs voor ‘meest innovatieve SSV’ in de wacht te slepen.

Teamleden
Het team SolarFlare bestaat uit acht teamleden. Deze zijn:
 * Lennert Wouters
 * Joris Vandebosch
 * Sander Vanvuchelen
 * Jason Verheulpen
 * Sus Benoit
 * Zeger Boels
 * Raphaël Weuts
 * Sam Laermans

Dit team wordt geleid door Sam Laermans.

Blog
Wekelijks zal hier een kort verslag komen van de afgelopen week. Op die manier is de vooruitgang van het project gemakkelijk te volgen.

Week 1
Tijdens week 1 van het EE4 project wordt reeds gebrainstormd omtrent de naam en het logo van dit team. Verder worden al gedachten uitgewisseld over hoe we de ‘Small Solar Vehicle’ (SSV) zo snel mogelijk kunnen laten rijden. Het Plan Van Aanpak (PVA) en de Gantt Chart (GC) worden samen met de Work Breakdown Structure (WBS) opgesteld zodat iedereen reeds een idee heeft van het toekomstige verloop van het project. Verder worden de Wiki en een dropboxmap aangemaakt, om zo de communicatie en het doorgeven van documenten zo vlot mogelijk te laten verlopen.

Week 2
Gedurende de tweede week van het EE4-project, worden metingen gedaan om de parameter m van het zonnepaneel te bepalen. Dit gebeurde aan de hand van onderstaande vergelijking. I=ISC-IS (eU/(m*N*Ur)-1) Daarnaast zijn ook de naam en het logo officieel bepaald. De naam SolarFlare, wat een vertaling naar het Engels is van het woord 'zonnevlam', zal vanaf nu de naam zijn van team PM4. Het logo vormt een rijdende vlam.

Deze week wordt al iets verder gegaan op de precieze vorm van de zonnewagen en welke technieken eventueel gebruikt zouden worden om als eerste de finishlijn te halen. Voor een optimaal resultaat is ook de stand van de zon zeer belangrijk. Deze werd reeds bepaald op de verschillende mogelijke data van de wedstrijd op verschillende uren.

Week 3
Het seminarie in week drie over de verschillende overbrengingen zorgt ervoor dat het echte (reken)werk kan beginnen. Omdat onze wagen een versnellingsbak zal hebben, kan gezorgd worden voor een optimaal koppel zowel op het platte deel van het parcours als op de helling. De vorm van de SSV zal een verstevigde T-vorm zijn. De wielen worden uit plexiglas gemaakt en zullen vooraan groter zijn dan achteraan. De geleiding langs het navigatieprofiel zal gebeuren aan de hand van twee kleine cd’s, omdat op deze manier de weerstand geminimaliseerd wordt. Volgende week zal Team SolarFlare naar Fablab gaan om de verschillende mogelijkheden (zowel qua werkplaats als qua laser- en printmogelijkheden) te bekijken.

Week 4
Na het seminarie over Simulink is de start van de berekeningen begonnen. Het programma Matlab wordt getest om zo de verschillende vragen van case 1 te kunnen beantwoorden. Matlab is een zeer ingewikkeld programma en de berekeningen zijn niet minder complex. Er werden reeds testen uitgevoerd met het programma.

Het zonnepaneel geeft ook een zeer kleine stroom (volgens de resultaten van de test). Bij volle zon zou het zonnepaneel in staat moeten zijn om 0,850A te leveren. De gemeten waardes zullen dus herrekend worden tot ongeveer 0,850A zodat we een getrouwer beeld hebben van de situatie.

Volgende week is er een seminarie over Fablab. Na dit seminarie zullen we eens naar Fablab gaan om met onze eigen ogen te zien hoe alles daar ineen zit.

Week 5
Deze week wordt hard gewerkt aan case 1. Op matlab en simulink wordt het gedrag van de SSV bij verschillende gear ratio’s getest om zo tot de meest ideale overbrenging te komen. Verder worden ook de Sankey diagrammen gemaakt op basis van berekeningen en verschillende veronderstellingen. Dit alles wordt samen gegoten in een rapport dat volgende week vrijdag afgegeven zal worden. Het schrijven van het rapport zal in de loop van week 6 afgewerkt worden. Naast het rapport van case 1 wordt ook verder gewerkt aan het precieze ontwerp van de auto. De grondplaat van de auto zal uit plexiglas gesneden worden en zal een stevige en lichte aerodynamische vorm hebben.

Week 6
Het rapport omtrent Case 1 werd deze week afgewerkt. Er waren enkele problemen met Simulink, maar die zijn uiteindelijk opgelost geraakt. Alles werd ingediend en vanaf nu gaat alle aandacht naar de effectieve bouw van het wagentje. Ook zal er hard gewerkt worden aan het rapport voor Case 2.

Week 7
De fouten in het rapport werden deze week aangepast en in de paasvakantie zullen enkele moeilijkere zaken aangepast en/of verbeterd worden. Zo werd het Sankeydiagram aangepast, zodat deze beter met de realiteit strookt (bij topsnelheid is er geen vermogen meer over). Naast het rapport werd er ook aan het zonnewagentje zelf gewerkt. De wielen en de grondplaat werden met de laser uit plexiglas gesneden. En de bouw van de versnellingsbak werd voorbereid. Zodra de tandwielen aangekomen zijn, zal de tandwielenkast gebouwd worden.

Week 8
Deze week zijn de tandwielen aangekomen en is de bouw van het wagentje kunnen beginnen. Alle afmetingen werden berekend en/of bepaald waarna de tandwielkast werd uitgesneden met de lasersnijder in Fablab. De body van het wagentje werd meermaals aangepast en de uiteindelijke vorm en dikte zijn nu bepaald. Het zonnepaneel zal op zijn plaats gehouden worden door een gps-houder en de accelerometer werd volledig geprogrammeerd, al kan deze nog niet getest worden, aangezien het wagentje nog niet rijklaar is. In de loop van volgende week zal het wagentje zo goed als mogelijk afgewerkt worden om de testrit op dinsdag te kunnen voltooien.

Week 9
Deze week was hectisch. Het wagentje was pas op vrijdag rijklaar. De hele week is er gewerkt aan de tandwielkast, maar deze werkt nog steeds niet optimaal. De accelerometer is spijtig genoeg nog niet op de correcte manier kunnen afgesteld worden. Nu werken nog slechts enkele personen aan het wagentje en gaat de meeste aandacht terug naar het rapport dat tegen week 11 klaar moet zijn.

Week 10
Deze week werd bijna volledig besteed aan de schakelbox van de SSV. Met lood rond de as probeerden we er voor te zorgen dat de schakelas blijft waar hij moet zijn. Dit helpt niet. Ook het maken van een soort van vliegwiel heeft geen zin. Het rapport werd ook al wat aangevuld met verschillende extra’s en verbeteringen. Tegen volgende week zullen alle sankey diagrammen gemaakt zijn en kunnen we alles samen zetten in het rapport. Raphaël houdt zich bezig met de spanningsberekeningen.

Week 11
In week 11 werd de laatste hand gelegd aan het rapport. De laatste aanvullingen werden geschreven en op vrijdag kon het rapport binnengeleverd worden. Ook op deze wiki-pagina is de finale versie van het rappport terug te vinden. De SSV is daarentegen nog niet helemaal in orde. Dit weekend zal nog hard gewerkt worden om de tandwielkast in orde te krijgen. Deze zal nu met een motor geschakeld worden, waardoor het (waarschijnlijk) niet meer zal voorkomen dat de tandwielen uit elkaar klikken bij het draaien. Op die manier hopen we alsnog de finish te halen.

De SSV
De SSV bestaat uit vele afzonderlijke componenten. Deze werden allen samengevoegd tot één geheel. Alle afzonderlijke delen van de SSV worden hier uitvoerig besproken en ook hun samenhang wordt duidelijk geschetst.

Basisplaat
De SSV bestaat eerst vooral uit een basisplaat. Deze heeft een afgeronde T vorm waarbij de platte ligger de achterkant van de wagen vormt. Deze platte ligger is 25 cm breed en het zijn hoogte (als men het frame als een T bekijkt) is 30 cm. De hoeken van de T zijn afgerond om een meer aerodynamische vorm te bekomen (alle beetjes helpen). Uit de basisplaat zijn verschillende delen weggesneden om het geheel lichter te maken. Zo komt het dat er aan de voorkant (de onderkant van de T-vorm) twee hoeken zijn afgesneden, waardoor de punt iets spitser geworden is. Tevens is er uit het midden van de punt ook een driehoekje gesneden, omdat daar geen extra belasting op steunt.

Achteraan (de ligger van de T-vorm) is een rechthoek uit de ligger verwijderd. Op die manier blijft enkel nog de rand van de ligger intact. Dit is mogelijk omdat de gearbox, die daar op steunt, zelf voorzien is van een grondplaat. Indien we de rechthoek niet zouden uitsnijden, zou op die plaats een dubbele grond te zien zijn, wat het gewicht aanzienlijk zou verhogen zonder enig nut.

Gearbox
Om de SSV zo snel mogelijk te laten rijden, wordt er gewerkt met een gearbox. Deze gearbox bevat elf tandwielen op zes assen. Deze assen zitten met lagers vast in een box, vandaar ‘gearbox’. De bedoeling van zo’n gearbox is het kunnen verwisselen van gearratio tijdens de rit. Op die manier kan meer rond het maximale vermogenspunt van de motor gewerkt worden, waardoor de baan in een kortere tijdspanne volledig afgelegd wordt.

De ratio’s waarmee gewerkt wordt, zijn 6 en 13. In het begin van de race, wordt vertrokken met gearratio 13. Dit zorgt ervoor dat de motor het niet lastig heeft om de SSV te laten versnellen, waardoor de SSV snel uit zijn startblok kan schieten. Daarna wordt er geschakeld en wordt gearratio 6 gebruikt. Hierdoor zal de motor bij een zelfde toerental een hogere snelheid hebben. Het schakelen gebeurt door het ompolen van de aandrijfmotor van de wielen en een externe motor die wordt aangedreven door een 9V batterij. Deze motoren worden bestuurt door de printplaat, waarover meer uitleg later. Bij het schakelen wordt de tweede gebruikte as in de gearbox over een bepaalde afstand verplaatst, loodrecht ten opzichte van de lengteas. Door de verplaatsing komt één van de twee tandwielen op deze as tegen een ander tandwiel, waardoor een andere gearratio wordt gehanteerd. Bij beide gearratio’s wordt dezelfde achteras van de wagen aangedreven. Op deze as zijn de achterwielen gemonteerd, waarover later meer.

De aandrijving van deze tandwielen gebeurt door de motor. De motor bevindt zich net buiten de gearbox maar is ook vastgemaakt op de (langere) grondplaat ervan. Op die manier is de relatieve positie van de motor ten opzichte van de gearbox altijd dezelfde. Op de motor is een klein tandwiel geplaatst dat op eenzelfde tandwiel (verhouding 1:1) aangrijpt dat op de eerste as van de gearbox is bevestigd. Op die manier wordt de kracht van de motor overgebracht naar de gearbox waar de snelheid dusdanig kan worden aangepast. De motor wordt aangedreven door het zonnepaneel en wordt bestuurd door de printplaat, waarover verder meer.

De gearbox en nodige andere elementen (motor, wielas) zijn samen gemonteerd op de ligger van de T. Op die manier is de achteras meteen op de juiste plaats. De achterwielas heeft op deze manier ook geen nood aan extra steunen, waardoor wrijvingsverliezen in extra lagers vermeden kan worden.

Zonnepaneel
De SSV wordt, zoals zijn naam reeds verraadt (Small Solar Vehicle), aangedreven door de zon. Dit gebeurt aan de hand van een zonnepaneel dat bestaat uit 15 zonnecellen. Het zonnepaneel is vastgemaakt op een gps-houder met een kogelgewricht met behulp van een aluminium staafje. Door dit kogelgewricht is het mogelijk het zonnepaneel op elk moment loodrecht naar de zon te richten. De gps-houder is tevens voorzien van een zuignap, waarmee het zonnepaneel eenvoudig en stevig vastgemaakt kan worden in het midden van de basisplaat. Het zonnepaneel zou bij volle zon een stroom van 0,85A moeten leveren.

Printplaat
Om de motor op het juiste moment om te polen en de extra motor (voor het schakelen) correct aan te sturen wordt gebruik gemaakt van enige elektronische intelligentie. Een printplaat met een arduino en een accelerometer zorgen ervoor dat dit alles op het juiste moment gebeurt. De printplaat is bevestigd aan de voorkant van de SSV, net voor het zonnepaneel. Een batterij van 9V stuurt de hele printplaat aan en laat op die manier alles op het juiste moment correct gebeuren.

Wielen
Als laatste zijn er de wielen. De wagen heeft twee achterwielen die op de achterwielas van de gearbox bevestigd zijn. Deze wielen hebben een diameter van 10cm en zijn gemaakt als wielen met drie spaken. Dit wordt bekomen door materiaal weg te snijden. Het wegsnijden van dit (overbodig) materiaal zorgt ervoor dat de wielen lichter zijn, waardoor het traagheidsmoment kleiner is en de motor dus minder moeite moet doen om de wielen te versnellen.

De wagen heeft ook twee voorwielen. Deze hebben een diameter van 5cm en zijn vol. Omdat de wielen zo klein zijn, is het onnuttig om extra materiaal weg te snijden. Dit zou de wielen te onstevig kunnen maken en zou te weinig gewicht wegnemen. De ophanging van de assen is bevestigd aan de onderkant van de punt van het voertuig. Twee lagers in twee plexiglazen plaatjes houden de vooras op zijn plaats. Deze twee plexiglazen plaats hebben ook een andere functie. De plaatjes zijn zodanig geslepen dat ze voor een perfecte geleiding zorgen langs het L-profiel die de wagen tijdens de race op de juiste baan houdt.

Bestanden
Het plan van aanpak, het samenwerkingscontract en de WBS vindt men in onderstaande documenten.

Het volledige rapport, de vergaderverslagen en het educating gedeelte vindt men in deze pdf-documenten.