-
1
CONSIDERAII PRIVIND STIMULAREA CREATIVITII
STUDENETI PRIN PROMOVAREA PROIECTELOR DIDACTICE
INOVATIVE LineAR i BrizAR
CONSIDERATIONS REGARDING APLICATIONS OF THE ENGINEERING
STUDENTS CREATIVITY STIMULATION THROUGH THE INNOVATIVE
DIDACTICAL PROJECTS LineAR and BrizAR
Adriana-Teodora MANEA, Prof.univ.dr.ing.Universitatea Ovidius
din Constana
Laureniu-Claudiu MANEA, Prof.univ.ec.dr.ing.Universitatea
Ovidius din Constana
E-Mail:[email protected]
Rezumat: Lucrarea exemplific, prin intermediul a dou platforme
didactice creative, beneficiile utilizrii sistemului
mecatronic de control al suspensiei pneumatice a autovehiculului
(proiectul LineAR) i al interveniei propulsiei
adiionale solare sau eoline n dinamica deplasrii unei biciclete
inovative (proiectul BrizAR), elementele
componente i modul de funcionare al acestora i modul de control
i reglare automat a sistemelor. Prin
construirea acestor aplicaii creative se simuleaz (prin
localizarea i identificarea denumirii componentelor
electrice, ct i prin analiza privind diagnosticarea i
parametrizarea sistemului prin evaluarea variabilelor
mrimilor fizice i electrice, msurarea parametrilor, semnalelor i
tensiunilor i simularea i identificarea unor
defeciuni ale componentelor, electronice i/sau mecanice)
comportarea real a unor sisteme mecatronice, venind n
sprijinul nelegerii att a modului de funcionare, control i
reglare automat a parametrilor suspensiei vehiculelor
(ca n cazul Proiectului LineAR ) ct i a modificrilor
parametrilor dinamici i a conservrii eficiente a efortului
uman la acionarea unei biciclete prin sisteme de propulsie
auxiliare ce integreaz energia solar i eolian (ca n
cazul Proiectului BrizAR ).
Cuvinte cheie:mecatronica supsensiei automobilelor, standuri
mecatronice didactice, creativitate, biciclete
ecologice cu propulsie solar i eolian
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 Universitys 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 fcut parte succesiv din aplicaiile
practice ale calculelor teoretice
realizate de absolveni n cadrul lucrrilor de licen i disertaie
avnd ca rol mbuntirea
procesului instructiv-educativ din laboratorul de mecatronica
automobilelor prin stimularea
intuitiv a studenilor n diagnosticarea sistemelor mecatronice
moderne, cu referire direct
asupra analizei parametrilor sistemului de suspensie pneumatic
(n cazul Proiectului LineAR) i
optimizrii interveniilor surselor de propulsie adiional
(solar-electric i eolian - n varianta
Proiectului BrizAR).
2.Configurarea creativ a proiectelor
n cazul proiectului LineAR s-a dorit analiza utilizrii
suspensiei cu elemente elastice
pneumatice la autovehicule, ndeosebi la autocamioane variant ce
contribuie esenial la
creterea fiabilitii acestora datorit reducerii uzurii pieselor
aflate n micare relativ,
asigurrii stabilitii la ncrcarea neuniform i posibilitii de
majorare a sarcinii utile. Pe
lng aceste beneficii, suspensia pneumatic s-a dovedit c mai
contribuie i la reducerea
sarcinilor dinamice verticale, micornd amplitudinea oscilaiilor
caroseriei i a frecvenei
acestora, fcndu-le suportabile pentru conductor i pasageri, dar
i pentru marfa transportat.
Elementul elastic pneumatic a fost raional s fie introdus n
special n componena suspensiei
autovehiculelor la care greutatea maselor suspendate variaz n
limite largi n funcie de
ncrctur, sau unde se dorete o mrire a confortului la rularea pe
suprafee denivelate. Prin
modificarea presiunii aerului din elementul elastic pneumatic se
poate regla automat rigiditatea
suspensiei, astfel nct frecvena vibraiilor proprii s rmn aceeai,
indiferent de valoarea
sarcinii statice [1], [3].
Conform informaiilor furnizate de firma productoare de
echipamente i tehnologii pentru
autovehicule WABCO, scopul de baz al sistemului mecatronic de
control al nivelului este de a
corecta i echilibra orice deviaie de nivel ntre asiu si axa
controlat, deviaia reprezentnd
abaterea de la distana stabilit dintre acestea. Aceste abateri
pot fi determinate fie de modificarea
sarcinii, fie de modificarea voit a valorii nominale de ctre
conductorul autovehiculului, prin
intermediul unei telecomenzi.
Principiul de funcionare este reprezentat n Figura 1,a: Un
senzor inductiv de distan
(nivel) 3 este montat pe asiul autovehiculului i este conectat
la axa acestuia printr-un sistem de
prghii, acesta avnd rolul de a evalua (msura) permanent distana
dintre acestea. Valoarea
msurat este utilizat ca valoare real n bucla de control si este
transmis unitii electronice
de control. Aceasta compar valoarea real cu valoarea nominal,
valoare predefinit n
memoria unitii electronice. Controlul nivelului este o funcie
care monitorizeaz distana ntre
asiul i osia vehiculului ca funcie de baz pe care trebuie s o
realizeze sistemul mecatronic
pentru controlul nivelului, aceasta fiind necesar pentru
reajustarea distanei din cauza diverilor
factori perturbatori (cum ar fi starea drumului sau a valorii
nominale de ncrcare a
autovehiculului). Pentru nelegerea eficient a modului n care
sistemul mecatronic controleaz
procesul de control al nivelului, n figura 1,b este reprezentat
structura de reglare i funcionare
a controlului automat (electronic si pneumatic) al suspensiei
pneumatice. Astfel:
-
3
1-unitate electronic de control; 2-telecomand; 3-senzor de
nivel;4-supap electromagnetic; 5-pern pneumatic
a Sistemul mecatronic de baz pentru corecia nivelului [1]
b. Structura sistemului mecatronic pentru controlul nivelului
[1]
Fig. 1 Sistemul mecatronic de control al suspensiei
autocamionului real Surs: Wabco
Un senzor de nivel sau curs 3, (fig. 2) capteaz n mers poziia
nlimii asiului fa de axa de sprijin i
transmite valorile msurate unitii electronice de control. Dac
dup evaluare unitatea electronic
recunoate o abatere de la
nivelul impus, supapa
acionat electromagnetic
4 primete o comand ca
prin alimentarea sau
evacuarea de aer
comprimat n/din pernele
de aer s se ating nivelul
necesar. Printr-o unitate de
comand de la distan 2
conductorul vehiculului
poate, sub un anumit prag
de vitez impus sau n
staionare, s modifice
nivelul impus, spre
exemplu pentru descrcri
la ramp (fig.3).
1-unitate electronic de control; 2- unitate de control de la
distan; 3-senzor de
nivel (curs); 4-supap electromagnetic; 5-pern suspensie
pneumatic
Fig. 2 Schema de baz a sistemului mecatronic de control al
suspensiei
pneumatice [1] Surs: Wabco
-
4
Prin intermediul unor
lmpi de semnalizare
optic, se poate afia
cu o lamp roie
starea de funcionare
incorect i cu o
lamp galben nivelul
de lucru al
autovehiculului
diferit de nivelul
prescris pentru mers
(nivelul normal). Luminarea continu a lmpi roii poate indica
prezena unei defeciuni depistat
de ctre unitatea electronic de control n sistem, culoarea verde
reflectnd nivelul optim.
3.Realizarea standul didactic LineAR
Construcia standului educaional a fost posibil prin utilizarea
senzorului de distan, a
unitii de comand electronice i a unei telecomenzi produse de
firma WABCO, asamblate ca n
fig. 4 ntr-o structur - panou, respectnd schema electric de
conexiuni a productorului.
Micarea de translaie a elementului elastic pneumatic a fost
simulat prin suprapunerea i
deplasarea a dou imagini ale acestuia. O parte a imaginii este
fix i conine desenul
elementului elastic i legtura cu axa (partea de jos), iar partea
mobil pe care este montat
senzorul de nivel conine desenul elementului elastic, partea de
legtur cu asiul.
Simulatorul micrii de
translaie este format
dintr-un motor de curent
continuu de 24 Voli,
prevzut cu reductor cu
melc - roat melcat
care antreneaz n
micarea de rotaie un
urub. Prin rotirea
acestuia n interiorul
unei tije prevzut cu
filet interior ntr-un sens
sau altul se efectueaz
micarea de translaie a
acesteia. De tij prin
intermediul a dou
resoarte este prins
placa asiului pe care
este montat senzorul de distan (nivel). Partea mobil a
senzorului este legat de partea fix prin
intermediul unor prghii. Prin micarea plcii, senzorul msoar
diferite poziii, iar valorile
msurate sunt transmise unitii electronice de control. Arcurile
elicoidale sunt folosite pentru
Fig. 4 Standul educaional 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 elasticitii pernei pneumatice. Rotirea n cele dou
sensuri este asigurat de comanda
care vine de la unitatea electronic de control i care trece
printr-un inversor electronic de sens.
Acest simulator este folosit pentru a nlocui demonstrativ supapa
electromagnetic i perna
pneumatic, implementarea acestora, n condiii de laborator,
presupunnd utilizarea unui sistem
presurizat de aer comprimat, considerat periculos n context
didactic.
Conexiunile electrice ntre unitatea de comand electronic i
celelalte componente s-au
realizat prin intermediul unor borne de conexiune electric,
dispuse pe desenul schemei electrice
de conexiuni, cea ce permite conectarea i deconectarea acestora,
astfel nct se pot simula unele
defeciuni, fiind posibil msurarea valorilor acestora cu un
multimetru, sau vizualizarea
semnalelor cu ajutorul unui osciloscop. n fig.3,a este
reprezentat semnalul senzorului de
distan, n fig.3,b semnalul ceas, iar n fig. 3,c semnalul de date
provenind de la telecomand
(vizualizate pe osciloscopul din laborator), semnalul fiind
posibil de investigat didactic de la
bornele de conexiune special adaptate. Standul mai este prevzut
i cu o muf ce permite
conexiunea cu o unitate de diagnosticare Off-board, ceea ce
faciliteaz att diagnosticarea
electronic a sistemului, ct i parametrizarea acestuia.
3.Realizarea prototipului didactic BrizAR
Vehiculele de tip biciclet cu propulsie mixt,
ocup un loc tot mai important ntre preocuprile
constructorilor din domeniu. Datorit faptului c
dispun de dou sau mai multe sisteme de propulsie
ce folosesc diferite tipuri de energie, printre care cea
electric i fora muscular pe care le folosesc n
mod alternant sau chiar simultan, aceste vehicule au
emisii poluante mult diminuate sau chiar zero.
Comutarea ntre cele dou sisteme de
propulsie, la fel ca i folosirea n tandem a acestora,
se poate face n multiple moduri. Sistemele ce
asigur managementul energiei permit combinarea
funcionrii acestora ntr-o gam variat. n general
punerea n micare a vehiculului de tip duble seat
bike este asigurat cu ajutorul pedalelor, n timp ce
propulsia la viteze sau sarcini peste valori
prestabilite, este asistat de motorul electric i
posibil prin aportul eolian.
Folosirea temporar a motorului electric, doar
dac funcionarea celorlalte sisteme nu este dorit sau nu se
desfoar la un regim eficient,
este realizat prin folosirea unor acumulatori de o capacitate
mic de tip LiIon (avnd n vedere
c tehnologia n domeniu a evoluat-, permind obinerea de
acumulatori cu capaciti sporite i
timpi de ncrcare redui).
Poate fi interesanta ideea avansat n proiectul teoretic i anume
aceea de a utiliza vehiculul
att pentru a se deplasa terestru ct i pe suprafaa apei,
adaptarea necesitand un timp destul de
redus i constnd din echiparea cu flotoare n prealabil, eventual
i cu vel i catarg -trecerea de
Fig. 5 Realizarea proiectului BrizAR
-
6
la un mediu la altul necesitnd existena unui plan nclinat de
lansare/ieire. In ultima vreme
conceptul de biciclet cu traciune electric a cptat o rspndire
destul de mare, att prin
dezvoltarea de acumulatori performani, ct i prin folosirea de
motoare electrice cu o construcie
simpl i adaptat destinaiei velo. Unitile electronice de control
ale motoarelor au fost
miniaturizate i
terminalele de comand
mecatronic au fost
optimizate pentru o
utilizare confortabil i
eficient. Sistemul de
asistare electric a
propulsiei, propus
pentru acest proiect, se
bazeaz pe utilizarea
unui motor de curent
continuu DC fr perii,
(BLDC motor),
traductor de turaie i
modulator de cuplu
mecanic. Acestea pot asigura deplasarea cu asisten la pedalare,
n mod independent, sau pot fi
adaptate efortului muscular la nvingerea rezistenei de
rulare.
Sistemul electric asist un mecanism tip manivel dotat cu pedale
ce este dispus n dreptul
fiecruia din cele dou locuri ale cockpit-ului, ocupantul locului
din stnga avnd i rolul evident
de a conduce vehiculul,
iar cel din dreapta de a
manevra vela (realizat
dintr-un material
fotosensibil generator
de curent electric
stocabil n baterii).
Fiecare dintre
ansamblurile cu pedale
se sprijinit pe lagre cu
rulmeni. Ctre ieire,
acestea sunt conectate
prin intermediul unor
mecanisme cu clichet
care vor face posibil
pedalatul n ritm
individual i alegerea
efortului de traciune
dorit de fiecare ocupant.
Fig. 7 Proiectul BrizAR premiat internaional la InoPoCBike
Contest
SC Ina Schaeffler Germania, filiala Braov, 2015
Fig. 6 BrizAR pe calea rutier i acvatic
-
7
Motorul electric reversibil a fost amplasat, n varianta
proiectat, n locul arborelui de
legtur dintre cele dou mecanisme tip clichet. Micarea se
transmite astfel de la pedale prin
intermediul rotorului motorului electric. Rotorul are montat pe
una din feele laterale o roat
dinat conic ce asigur, mpreun cu pinionul montat pe primul
arbore al transmisiei i cu
flane elastice, o transmisie la 90 grade. Statorul
motorului, la rndul lui, este montat astfel nct s
poat fi rotit cu aproximativ 30 grade n jurul axei
de rotaie i blocat n poziia aleas. Arborele de transmisie cu
flan elastic face legtura cu
transmisia principal. In varianta realizat practic
constrngerile materiale au evideniat oportunitatea
introducerii motoarelor electrice n butucul roilor
fa, cu modularea asistenei la pedalare n
momentul ncrcrii suplimentare a roilor fa odat
cu rezistena creat de existena propulsiei eoliene
(materializat prin cataerg si vel). Sistemul de
propulsie cu vel rigid folosit este detaabil. O alt
variant luat n calcul este rabatarea catargului i
plierea velei (articulate ca i catargul de altfel),
acesta din urm devenind astfel un hard-top pentru
cockpit-ul vehiculului. Plierea sistemului poate fi
operat n mod manual deoarece sistemele ajuttoare
ar ngreuna inutil structura. Orientarea velelor va
putea fi realizat prin intermediul catargului, cele
dou elemente fiind solidarizate. Controlul rotirii
catargului, va fi realizat din cockpit cu ajutorul unui levier.
O alt posibil utilizare a acestui
vehicul ar putea fi aceea de vehicul amfibiu. Cu ajutorul a dou
flotoare construite din cte trei
module rabatabile, bicicleta cu patru roi poate deveni
catamaran. Aceste flotoare au nevoie de un sistem de brae rotitoare
ce asigur deprtarea de saiu. n acest caz propulsia este asigurat
prin
acionarea de ctre motorul electric sau pedale a unui arbore port
elice. Acesta din urm poate fi
schimbat din poziia sa de transport rutier n pozitia de
propulsie a catamaranul pe suprafaa apei.
Pentru guvernare, se poate folosi o crm controlat prin rotirea
volanului n direcia dorit.
Proiectul BrizAR a a fost expus i a partcipat la Concursul
internaional INO POC Bike
organizat de SC INA Schaeffler din Germania, la Braov, n anul
2015. Proiectul i modelul
experimental au fost evaluate de comisia internaional care a
jurizat participanii la concursul de
vehicule inovative de tip ecologic i BrizAR a fost recompensat,
dup probele demonstrative n
care i-a validat calitile dinamice i ecologice, cu premiul
Sisteme inovative de propulsie
pentru biciclete, n anul 2015. Cupa i diplomele echipei
cstigtoare a programului de studiu
Autovehicule rutiere formele de nvmnt cu frecven i cu frecven
redus (IFR) din
Universitatea Ovidius din Constana au contribuit la promovarea
creativitii studenilor
constneni i validarea aprecierii acesteia la nivel
internaional.
Fig. 8 BrizAR Premiat n faa
Universitii Ovidius din Constana
-
8
4. Concluzii
Alturi de facilitile aduse n procesul de aplicare a cunotinelor
inginereti prin proiecte
practice, standul didactic LineAR i prototipul didactic BrizAR
au canalizat i apoi au reprezentat
capacitatea inginereasc aplicativ a studenilor notri care au dus
pn la capt proiectele
asumate teoretic, demonstrnd, n ciuda greutilor de ordin
material, c acestea sunt viabile i
pot deveni realitate.
Mulumim studenilor notri (Rducan Marius, Ionel erban i multor
multor altora),
pentru ncrederea n noi i pentru sprijinul acordat n dotarea
laboratoarelor specializrii
Autovehicule rutiere din Universitatea Ovidius din Constana i
pentru c prin stradania lor
neobosit au lsat generaiilor viitoare o baz academic de nelegere
la nivel practic a
cunotinelor.
Considerm c aciunea lor, prin participarea la Concursul
internaional INO POC Bike
2015 i Congresul internaional de Autovehicule i transport
internaional CONAT 2016, [3] , [4]
au constituit o promovare de succes a imaginii universitii
noastre i a nvmntului
superior de automobile constnean, ce a gsit n profesorii,
studenii i absolvenii si resursele
de a supravieui i de a se face cunoscut prin realizri de
excepie.
Acesta este crezul i rspunsul nostru n viziunea comemorrii, 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]. erban 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, Braov 2016, ISSN
2069-0401 / ISSN 2069-0428, pag.355-361
[4]. Rducan M., erban 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, Braov 2016, ISSN
2069-0401 / ISSN 2069-0428, pag.371-378
http://www.wabco-auto.com/
