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