Engineering Experience 4: Design a Small Solar Vehicle/Nl/2013: Team PM11

Inleiding
Hartelijk welkom op de Wikiversity pagina van team "Apollo11", het PM11 team van EE4. Op deze pagina zult u de komende weken alles te weten komen van het ontwerp, de berekeningen en de constructie van onze Small Solar Vehicle. Het eerste deel, Case SSV I, bevat berekeningen die een analyse vormen van bijvoorbeeld het zonnepaneel, de motorkarakteristiek en het vermogensverlies. Ook wordt de optimale overbrengingsverhouding berekend. In het tweede deel, Case Simulink, worden simulaties uitgevoerd met het computerprogramma Simulink. Dit gebeurt voor de karakteristiek van het zonnepaneel, de karakteristiek van de motor en de race zelf. Het reeds gebouwde SSV wordt in het derde en laatste deel, Case SSV III, getest en geanalyseerd. Een optimalisatie volgt uit het testen door de afgelegde weg te vergelijken met het Sankeydiagram. Daarbij worden ook de kritisch belaste onderdelen nauwkeurig gedimensioneerd door de aandrijfas in verschillende situaties te bestuderen. Daarnaast bevat dit deel ook technische 2D tekeningen en enkele opgeloste vraagstukken.

Opdracht
De opdracht voor Engineering Experience 4 voor de studenten elektromechanica, in het 2e jaar van de Bachelor Industriële Wetenschappen, bestaat uit het bouwen van een kleine voertuig dat rijdt op zonne-energie: Small Solar Vehicle (SSV). De aanleiding tot dit onderwerp komt voort uit het Umicore Solar Team van Groep T. Het team bestaat uit 6 studenten. Groep T wil de studenten inzicht geven in ingenieursvaardigheden aan de hand van concrete voorbeelden. Het is niet alleen op technisch vlak verrijkend, maar ook wordt aangeleerd om in een professionele sfeer samen te werken. Om dit wagentje te bouwen, krijgt het team een klein zonnepaneel en een DC motor als basis en eventueel andere nodige onderdelen. De assemblage kan worden uitgevoerd in het FabLab van de KULeuven op de campus Arenberg.

Karakteristiek van het zonnepaneel
Om de eigenschappen van het zonnepaneel te kunnen bepalen moet de diodefactor gekend zijn. Hiervoor wordt het zonnepaneel uitgemeten in labo omstandigheden. Aan de hand van de gemeten waarden is het mogelijk om via de formule voor een ideaal zonnepaneel de diodefactor berekenen.

Berekening diodefactor
Gegevens: Gevraagd: Formule: I = Isc-Is(eU/m*N*Ur-1) <-> m = U / ln((-I+Isc+Is)/Is)*N*Ur Invullen geeft m = 1,18
 * Isc=0,59 A (kortsluitstroom)
 * I= Zie tabel(A)(gemeten stroom)
 * Is= 10-8 A(saturatiestroom)
 * U=Zie tabel(V)(gemeten spanning)
 * Ur=25,7mV(Thermische spanning bij 25°C)
 * N=15 (aantal cellen in serie op het zonnepaneel)
 * m (diodefactor)

Afwijking met minimum/maximum methode
De afwijking op een waarde kan bepaald worden door gebruik te maken van de minimum/maximum methode. ∆m = (m_max-m_min)/2 <-> ∆m% = 0,9%

Totale fout op alle waarden
De berekening voor de fout wordt herhaald op alle waarden waarna de gemiddelde fout berekend kan worden voor de beste waarde van de diodefactor m = 1,16 ± 0,01. Met de nieuwe berekende diodefactor kan men een benaderende grafiek opstellen voor het zonnepaneel. Wanneer alle gemeten waarden (grijs) uitgezet zijn naast de berekende waarden (geel) bekomt men volgende grafiek (Figuur 1).

Vermogen
Aan de hand van de nieuwe karakteristiek kan het vermogen brekend worden dat de zonnepaneel kan leveren bij verschillenden intensiteiten. Wanneer deze gegevens geplot worden op een grafiek bekomt men de gele curve, te zien op Figuur 2. Uit deze curve kan het maximum vermogen afgelezen worden en bijhorende spanning. Met deze spanning kan het toerental berekend worden waarbij de zonnecel het meeste vermogen levert. Op dit toerental zal de zonnecel dus ook het efficiëntste werken. De maximum waarde voor het vermogen die uit grafiek af te lezen is, is 3,74 watt. Dit is bij een spanning van 6,8 volt en een respectievelijke stroom van 0,55 ampère. Wanneer deze waarden ingevuld worden in volgende formule kan hieruit het ideaal toerental gehaald worden. U = IR + (n/1120) Waarin U en I de stroom zijn op het maximum vermogen en R de inwendige weerstand van de motor, welke 3,36 ohm bedraagt. Het bijhorende toerental is dan 5547 rpm.

Tijdelijk design van de SSV
Voor het frame werd meer aandacht besteed aan de design dan aan de aerodynamica. De reden hiervoor is dat de vorm door de kleine grootte en het lage gewicht weinig invloed zal hebben voor de SSV-race. De motor zal geplaatst worden tegen een balk loodrecht op het frame en wordt ondersteund door een prisma. Er zullen nog gaten gemaakt worden om de tandwielen en de as aan te drijven. Via het programma Simulink werd er een optimale wieldiameter en gear ratio verkregen van respectievelijk acht centimeter en acht. Alleen de twee achterste wielen zullen worden aangedreven. De wielen zijn verbonden door een as, deze assen zullen worden geplaatst in lagers voor een zo laag mogelijke wrijving te verkrijgen. De afmetingen van de lagers en assen zullen afhangen van de afmetingen van de tandwielen. Er werd besloten om geen elektronisch aandrijfsysteem te gebruiken. Er zal in de plaats vooraan (het smalle stuk) een mechanisch systeem worden aangebracht in de vorm van een frontwing met aan de uiteinden wieltjes om op het parcours te blijven tijdens de SSV- race. Als bevestigingssysteem ging er gebruik gemaakt worden van een gps houder met een zuignap. De tekeningen werden gemaakt in het 3D programma SolidWorks en zullen worden gemaakt in Fablab KUL met behulp van de lasercutter uit plexiglas. Het totale gewicht zal zo laag mogelijk gehouden worden en zal liggen tegen 750 gram.

Optimale overbrengingsverhouding berekenen met MatLab
Bij het simuleren van de verschillende overbrengingsverhoudingen is de gear ration de variabele die tussen 5 en 15 ligt. Uit de grafieken kan worden afgeleid dat voor de SSV een gear ratio van 8 het beste resultaat oplevert. Dit komt doordat de topsnelheid het hoogst is en deze nog relatief lang constant blijft. Als dit vergeleken wordt met een gear ratio van 7 is de topsnelheid hetzelfde is maar deze blijft minder lang constant. Hierdoor gaat de SSV er langer over doen om de finish te bereiken. De gear ratio van 8 is zeker bruikbaar, er zijn kleine tandwielen verkrijgbaar waarmee deze overbrening gerealiseerd kan worden. Uit de positiegrafiek kan de verwachte eindtijd worden voorspeld, deze zal rond 5 seconden zijn.

Uiteindelijk ontwerp
Het design van het SSV is gebaseerd op het frame van een F1-bolide. Tijdens het ontwerp werd meer aandacht besteed aan het esthetische dan aan het aerodynamische aspect van de wagen. Dit omdat de wagen zeer klein is en dit maar een beperkte invloed heeft op de race. Er is afgezien van het oorspronkelijke idee om het frame uit PMMA te maken omdat PMMA te zwaar zou wegen om de wagen de helling op te laten rijden. De meeste onderdelen zijn gemaakt uit MDF, met uitzondering van de wielen, omdat dit lichter is. Het frame van het SSV is opgebouwd uit een basisplaat waarop vooraan en achteraan een ophanging bevestigd is voor de wielen. Op de ophanging vooraan is er eveneens plaats voorzien voor een frontwing. Alle bevestigingen zijn uitgevoerd met een tand-groef systeem voor het eenvoudig en snel bouwen van het SSV. In de ophanging zijn lagers geplaatst waarin een as komt waarop de wielen bevestigd worden. Er is geopteerd voor lagers om zo weinig mogelijk wrijving te creëren tussen de as en het frame. De wielen zijn vast op de as geplaatst. Achteraan zit er ook een tandwiel op de as welke aangedreven wordt door de motor. De tandwielen hebben schuine tanden wat zorgt voor een betere loop en minder trillingen. De motor zit vastgelijmd op het basisframe. De tandwielen werden voorzien door Yoika. Aan de hand van de gear-ratio is de ideale wieldiameter bepaald met Simulink. Voor een gear-ratio van 10:1 was de ideale wieldiameter 100mm. Het zonnepaneel is bevestigd via een GPS-houder met zuignap. In de basis van het frame zijn twee rechthoekige gaten voorzien waarin de GPS geklemd zit. Het zonnepaneel wordt bevestigd op de zuignap. Er werd besloten om geen elektronisch aandrijfsysteem te gebruiken. Er is wel plaats gemaakt om zowel vooraan op de frontwing als achteraan, net vóór de achterwielen, zijwielen te bevestigen. Zo zal het SSV indien het van zijn baan afwijkt, de kant blijven volgen zonder dat er grote wrijvingsverliezen optreden of gestopt zal worden door oneffenheden in de wallen van de baan.

Week 1
Na het volgen van een inleiding en het verdelen van de groepen, is team "Apollo11" een feit. We bestaan uit 6 enthousiaste ingenieursstudenten - Yoika, Glenn, Karen, Thomas, Tom, onder leiding van Vick - en zullen de komende weken samen een Small Solar Vehicle ontwikkelen. Meteen na de presentatie zaten we samen om al wat taken te verdelen tegen vrijdag. Yoika en Karen zullen zich richten op het plan van aanpak, Thomas op het samenwerkingscontract en Vick, Tom en Glenn zullen het Work Breakdown Structure en de Gantt Chart opstellen. Na opgesplitste en algemene samenkomsten, zijn we allen tevreden over de documenten voor de eerste deadline. Opsturen dan maar en wachten op feedback van de coach!
 * Dinsdag 12-02-2013
 * Vrijdag 15-02-2013

Week 2
De namiddag begon met een seminarie over karakteristieken van zonnepanelen en DC motoren. Daarna volgde een vrij positieve feedback van onze coach. Hier en daar moesten er nog wat dingen aangepast worden, maar over het algemeen was het goed. Vervolgens vergaderden we over het ontwerp en een verdere taakverdeling. Yoika en Thomas gingen de karakteristieken verder uitwerken, Tom zou stilaan aan de Simulink gaan beginnen, Glenn vergaarde alle verbeterde documenten om door te sturen en Karen en Vick tot slot buigden zich verder over de Gantt Chart en WBS. Top dag!
 * Dinsdag 19-02-2013

Week 3
Na een kort seminarie over gear ratio's en overige berekeningen, weer terug snel in de cijfers gedoken. Niet veel nieuws deze week dus, but stay tuned!
 * Dinsdag 26-02-2013

Week 4
De coach was tevreden over het werk tot nu toe. De overbrengingsverhouding en bisectieberekeningen gaan goed en het Sankey komt ook in orde.
 * Dinsdag 05-03-2013

Week 5
Karen heeft de volledige bisectiemethode afgemaakt vandaag. Verder zijn Vick en Tom erg begaan met de Simulink. Het is niet gemakkelijk, maar stap voor stap lukt het wel. Yoika heeft de volledige Sankey diagrammen berekend en uitgetekend. Thomas heeft de vermogen en snelheidscurven berekend. Glenn ten slotte heeft een analytische berekening van de gear ratio gemaakt en is samen met Karen aan het proces en technisch verslag begonnen.
 * Dinsdag 12-03-2013

Week 6
De deadline is in zicht. De coach was erg tevreden over het werk tot nu toe. Het is eigenlijk nu een kwestie van alles samenleggen en hier en daar nog kleine verbeteringen te maken. Er zijn afspraken gemaakt met betrekking tot de eerste stappen van de bouw van het wagentje. Na een drukke week van berekenen en verslaggeven, is uiteindelijk het tussentijdse rapport af. Na een finale vergadering is het werk dan doorgestuurd naar de coach.
 * Dinsdag 19-03-2013
 * Vrijdag 22-03-2013

Week 7
Niet veel praktisch gebeurd. Vandaag hadden we coachsessie en werd ons rapport besproken. Over het algemeen was de commentaar van de coach kritisch, doch opbouwend. Nu is het aan ons deze te verbeteren en ons voorbereiden voor de test na de paasvakantie.
 * Dinsdag 26-03-2013

Week 8
Deze week bestond vooral uit verbeterwerk en een test. Verder weinig noemenswaardig gebeurd.
 * Dinsdag 16-04-2013

Week 9
Deze week stond in teken van de testrun. De SSV is bijgevolg volledig klaar. Bij de eerste run zijn we tot de conclusie gekomen dat er nog extra zijwieltjes nodig waren. Bijgevolg toetsten we ook het simulatiemodel met de werkelijkheid door de SSV van de helling te later rollen. Hij bereikte een afstand van 6m92 wat niet overeen komt met de 9m uit de simulatie. Dit komt omdat we in werkelijkheid een ander gewicht hebben.
 * Dinsdag 23-04-2013

Week 10
Karen en Glenn werken verder aan de vraagstukken en kritische analyse. Na de testrun zijn er een paar mankementen aan de SSV ontdekt en deze worden nu verholpen. De bedoeling is vandaag de auto terug up and running te hebben. Vick heeft Karen haar banaan afgepakt omdat Karen Vick aan het pesten was.
 * Dinsdag 30-04-2013

Week 11
De bouw van de SSV gaat vlot. Een minpunt is dat het kleine tandwiel dat op de motor was bevestigd, los is gekomen. Snel moest een nieuwe lijm worden gevonden. Nu plakt het steviger vast. Voor de rest werken Glenn en Tom nog verder aan de sterkteleer vraagstukken, maakt Yoika de Sankeys verder af, Thomas zorgt voor de nodige tekeningen, Karen brengt de verslagen en het rapport in orde, allen onder toeziend oog van Vick.
 * Dinsdag 07-05-2013