Upload
trouengeblot-skickjerk
View
29
Download
4
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Prezentacija konstrukcije bicikla
Citation preview
DIZAJN = KONSTRUKCIJA BICIKLA
Zagreb, Tehnički muzej, 10/05/2012
DIZAJN = KONSTRUKCIJA BICIKLA
Zagreb, Tehnički muzej, 10/05/2012
Gordan KrpanecGordan Krpanec
DIZAJN = KONSTRUKCIJA BICIKLA
Zagreb, Tehnički muzej, 10/05/2012
POVI
JEST
1790 CÉLÉRIFÈRE - SivracDrvena konstrukcijaPrednji kotač nije se mogao zakretatiPokretanje – otiskivanjem nogu o tlo
1817 DRAISIENNE – Karl von DraisDrvena konstrukcijaZakretni prednji kotačPokretanje – otiskivanje nogu o tlo
1840 – 1865 POGON PEDALAMA1861 PRVA TVORNICA BICIKALA – Ernest Michaux1867 KOTAČ SA ŽBICAMA – Madison1888 PNEUMATICI ZA BICIKLE - Dunlop
~ 1880 VISOKI BICIKL
POVIJEST
POG
ON
SKI M
EHA
NIZ
AM
PJEŠAK vs BICIKLISTPješak pri svakom koraku podiže svoju
težinuPješak: 60 W => 6 km/hBiciklist: 60 W => 16 - 20 km/h
PJEŠAK vs BICIKLISTPješak skraćivanjem koraka savladava
uspon Biciklist promjenom prijenosnog omjera
prilagođava vožnju uvjetima
POGONSKI MEHANIZAM
POG
ON
SKI M
EHA
NIZ
AM
IZBOR BROJA ZUBI STRAŽNJEG LANČANIKAOdnos da susjedna stupnja prijenosa treba biti
približno jednak => broj zubi pojedinih lančanika čini geometrijski red
LANČANI PRIJENOS
MSR – srednji momentrD – dinamički opseg kotačaFVSR – srednja vučna silaFR – otpori vožnje
POG
ON
SKI M
EHA
NIZ
AM
IZBOR POGONSKOG MEHANIZMAPrijenosni omjeri moraju osigurati da pri
promjeni brzine broj okretaja pogona ostane u rasponu 60 – 90 o/min.
Šrafirano je područje normalne uporabe
IZBOR POGONSKOG MEHANIZMA
OD
RŽ
AVA
NJE
RA
VNO
TEŽ
E
U STANJU MIROVANJA BICIKL I VOZAČ SU U LABILNOJ RAVNOTEŽI
Neznatnim nagibanjem stvara se moment G·b koji izazva prevrtanje
U KRETANJU BICIKL I VOZAČ OSTVARUJU DINAMIČKU RAVNOTEŽU
U vožnji kotači djeluju kao zvrkovi (opiru se promjeni položaja svoje osi)Tijekom vožnje po luku javiti ce se moment centrifugalne sile
[C·h=(G·v2/g·r)·h] koji će nagnuti bicikl ispravljatiKako centrifugalna sila ne bi momentom C·h izvrnula bicikl, vozač mora
nagibanjem osigurati ravnotežu momenta C·h = G·b
Kut nagiba nezavisan je od težine bicikl+vozač, a veća brzina i manji promjer zavoja zahtijevaju jače nagibanje
Kako ne bi došlo do proklizavanja, polumjer zaokreta pri brzini v ne smije
biti manji od - polumjer zaokreta ovisi samo od brzine i vrste podloge
iz r = l/sinβ zaključujemo da se s manjim osnim razmakom postiže manji polumjer zakretanja bicikla
ODRŽAVANJE RAVNOTEŽE
2
rg tg
v⋅
=ϕ
g⋅=μ
2
minv
r
OTP
OR
I VOŽ
NJE
OTPOR KOTRLJANJAnastaje uslijed:
deformacije kotača i podloge na mjestu njihovog dodira,otpora deformacije pneumatika,otpora u ležaju.
OTPOR USLIJED DEFORMACIJEFRK1=e/rD·G (veličina e ne može se teoretski odrediti => iskustvene vrijednosti)
OTPOR U LEŽAJU
FRK2=G/r·d/2·μ (otpor u ležaju posljedica je trenja koje se javlja u ležaju)
OTPOR KOTRLJANJA
Koeficijent otpora kotrljanja fK ovisi o:vrsti podloge, fK asfalt (gladak) 0,010 – 0,015Izvedbi i stanju kotača, fK asfalt (hrapav) 0,018 – 0,022Promjeru i širini pneumatika, fK makadam 0,020 – 0,040Natpritisku zraka u pneumatiku, fK zemljani put (suh) 0,025 – 0,060Brzini vožnje. fK zemlja (vlažna) 0,050 – 0,150
OTPORI VOŽNJE
2
rg tg
v⋅
=ϕ
HORIZONTALNA PODLOGAFRK – otpor kotrljanjaFRZ – otpor zraka
UZDUŽNO NAGNUTA PODLOGA UKUPNI OTPORFRP – otpor svladavanja uspona FR=FRK+FRZ+FRP+FRN
NESTACIONARNO GIBANJEFRN – otpor ubrzavanja
GfGdeFFF KRKRKRK ⋅=⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅+=+=
221 μ
OTP
OR
I VOŽ
NJE
SILA OTPORA ZRAKA proporcionalna je kvadratu relativne brine između struje zraka i
bicikla.SNAGA ZA POKRETANJE BICIKLA
raste s trećom potencijom (snaga = sila x brzina)Pri brzino od 30 km/h biciklist
80% snage koristi za savladavanje zračnog otporaod tih 80%
• 70% koristi se za savladavanje zračnog otpora tijela
• 30% za savladavanje zračnog otpora samog bicikla
OTPOR ZRAKA
OTPOR ZRAKANastaje uslijed:
Dinamičkog tlaka na frontalnoj površini vozača i biciklistaPodtlaka na stražnjoj strani vozača i biciklaVrtloženja zraka u kotačuFRZ = cX·A·ρ ·(v2/2)
• cx – koeficijent otpora zraka (cx = 0,65 … 0,75)• A – efektivna čeona površina vozača i bicikla (A ≈ 0,5 m2)• v – relativna brzina između struje zraka i biciklista• ρ – gustoća zraka
OTP
OR
I VOŽ
NJE
OTPOR SAVLADAVANJA USPONA
OTPOR SAVLADAVANJA USPONAPojavljuje se kod uzdužnog nagiba ceste Nastaje uslijed:
FRP = G·sinα• G – ukupna težina vozača i bicikla• α – kut nagiba ceste
Uobičajeno se uspon ceste označava u postocima s[%]/100=tg α• za uspone do 10% vrijedi tgα ≈ sinα pa vrijedi:
s – uzdužni nagib ceste u postocima100sGFRP ⋅≈
OTP
OR
I VOŽ
NJE
OTPOR UBRZAVANJA
OTPOR UBRZAVANJASastoji se od:
otpora ubrzavanja bicikla s vozačem koji se translaciono gibaOtpora dijelova koji rotiraju (prednji i stražnji lančanici i kotači)FRU = (m + mO)·a
• m – stvarna masa bicikla i vozača• mO – virtualna masa bicikla i vozača (u pravilu mO ~ 1…5 % od m)• a – ubrzanje bicikla
mO – ovisno od slučaja uvodi se u račun procjenom ili se zanemaruje
RA
SPO
RED
OPT
EREĆ
ENJA
NA
KO
TAČ
E
RASPORED OPTEREĆENJA NA KOTAČE
POGONSKA SILAMaksimalna (granična) vrijednost uvjetovana je opterećenjem stražnjeg (pogonskog) kotača:
FV = μ·GA• μ – koeficijent trenja • GA – opterećenje pogonske osovine (adheziono opterećenje)
Ako vučna sila FV prijeđe graničnu vrijednost (FV > μ·GA) nastupa klizanje pogonskog kotačaNa veličinu adhezionog opterećenje kod bicikla utječe isključivo geometrijskim oblikom okvira:
• pomicanjem zajedničkog težišta bicikla i vozača prema stražnjem kotaču• Variranje geometrijskog oblika određene je:
ergonomskim veličinama čovjekauzdužnim stabilitetom sustava čovjek-bicikl
Vrijednosti koeficijenta trenja μ zavi se od:Stanja gumeStanja i vrste vozne podloge
RA
SPO
RED
OPT
EREĆ
ENJA
NA
KO
TAČ
E
BOČNO VOĐENJE
PNEUMATIK MORA OMOGUĆITIostvarivanje pogonske silesilu kočenjabočno vođenje (FBV= μ·FN)
sila od bočnog vjetracentrifugalna silaotpora ubrzavanja bicikla s vozačem koji se translaciono gibabočna sila od poprečnog nagiba vozne podloge
Obično se bočna sila FB javlja u kombinaciji s uzdužnim silama FUOdržavanje smjera bicikla moguće je ako rezultirajuća sila na kotač ne prelazi
vrijednost FR = μ·FN
Kod kočenja blokiranjem kotača u potpunosti se koristi umnožak μ·FN, tako da za bočno vođenje ne postoji nikakva sila => najmanja bočna sila izaziva gubitak smjera vožnje.
( ) 2222UNBURB FFFFFF −⋅≤⇒−≤ μ
RA
SPO
RED
OPT
EREĆ
ENJA
NA
KO
TAČ
EOPTEREĆENJE KOTAČA NA HORIZONTALNOJ PODLOZI
Opterećenje kotača kada se bicikl nalazi na horizontalnoj ravnini i u stanju mirovanja
faktor adhezionog opterećenja kA=GA/G• za cestovne bicikle kA=0,55• za brdske bicikle kA=0,59…0,63kod kočenja zbog djelovanja kočnica na oba kotača adheziona
težina jednaka je ukupnoj težini bicikla i vozala FK=μ·Gtrakciona i kočiona sposobnost te upravljivost bicikla (uz
μ=const.) karakteristike su direktno proporcionalne opterećenju kotača koji osiguravaju trakciju, kočenje i upravljanje biciklom
waGGF
wbGF ANN
⋅==
⋅= 21 L
Opterećenje kotača pri kretanju po horizontalnoj ravnini mijenja se uslijed:
momenta otpora zraka FRZ·hZmomenta sile ubrzavanja ili kočenja FRU·hT=G·a/g·hTmomenata otpora kotrljanja prednjeg i stražnjeg kotača (MRK1 i
MRK2; MRK=FRK·rD)Opterećenje prednjih i stražnjih kotača
• kod zagona: ΣMR = FRZ·hZ + FRU·hT + MRK1 + MRK2• kod kočenja: ΣMR = FRZ·hZ - FRU·hT + MRK1 + MRK
WMaG
Fw
MbGF R
NR
N∑∑ +⋅
=−⋅
= 21 L
Svi dodatni momenti otpora na horizontalnoj podlozi dodatno opterećuju stražnju osovinu pri ubrzavanju.Pri kočenju moment sile inercije rasterećuje stražnji kotač što dovodi do lakšeg blokiranja stražnjeg kotača i
gubitka stabilnosti (nestaje giroskopski stabilizacijski moment i sila bočnog vođenja) Rasterećenje stražnjeg kotača => veći dio sile kočenja ostvaruje se na prednjem kotaču
Vučna sila koja se može ostvariti pogonom na stražnji kotač:
Pri svladavanju uspona vučnom silom treba savladati otpor uspona FRP= G·sinα. Izjednačavanjem FV = FRP dobivamo kut uzdužnog nagiba koji se može savladati biciklom:
Uzdužno prevrtanje i gubitak upravljivosti nastupa u trenutku odvajanja prednjeg kotača od podloge, tj. FN1 = 0 =>
Prevrtanje nastupa kada pravac vektora težine bicikla i vozača prolazi iza dirališta stražnjeg kotača s podlogom
RA
SPO
RED
OPT
EREĆ
ENJA
NA
KO
TAČ
EOPTEREĆENJE KOTAČA NA UZDUŽNOM NAGIBU
)sincos(
2
ααμ
μ
⋅+⋅⋅⋅=
⋅=
TV
NV
hbwGF
FF
Kod ovog razmatranja zanemaruje se otpor zraka (zbog male brzine) i otpor uslijed ubrzavanja (v=const.)
normalno opterećenje kotača na uzdužnom nagibu
savladavanje uzdužnog nagiba za posljedicu ima dodatno opterećenje stražnje osovine i rasterećenje prednje osovine => povoljno sa stanovišta vučne sile zbog pogona na stražnji kotač
α
αα
αα
cos
)sincos(
)sincos(
21
2
1
⋅=+
⋅+⋅⋅=
⋅−⋅⋅=
GFF
hbwGF
hbwGF
NN
TN
TN
TV hw
atg⋅−
⋅=
μμα
TS h
btg =α
)sincos(
2
ααμ
μ
⋅+⋅⋅⋅=
⋅=
TV
NV
hbwGF
FF
TV hw
atg⋅−
⋅=
μμα
TS h
btg =α
Vučna sila koja se može ostvariti pogonom na stražnji kotač:
Pri svladavanju uspona vučnom silom treba savladati otpor uspona FRP= G·sinα. Izjednačavanjem FV = FRP dobivamo kut uzdužnog nagiba koji se može savladati biciklom:
Uzdužno prevrtanje i gubitak upravljivosti nastupa u trenutku odvajanja prednjeg kotača od podloge, tj. FN1 = 0 =>
Prevrtanje nastupa kada pravac vektora težine bicikla i vozača prolazi iza dirališta stražnjeg kotača s podlogom
)sincos(
2
ααμ
μ
⋅+⋅⋅⋅=
⋅=
TV
NV
hbwGF
FF
TV hw
atg⋅−
⋅=
μμα
TS h
btg =α
RA
SPO
RED
OPT
EREĆ
ENJA
NA
KO
TAČ
EKOČENJE
Kočenje je namjerno (umjetno) povećanje tangencijalnih sila između kotača i podloge, kojem je svrha usporavanje ili zaustavljanje dvokolice.
Tijekom kočenja kinetička se energija bicikla i vozača kočenjem pretvara u toplinu koja se radi osiguravanja funkcioniranja kočnica odvodi u okolinu.
O uspješnosti kočenja sudi se na osnovu veličine usporenja i puta kočenja.
Suma sila u smjeru vožnje
αμ
α
sin
sin
21
21
⋅⋅=+
⋅=
⋅−+=
GFFgGaF
GFFF
KK
KI
KKI
)sincos( ααμ −⋅⋅= ga
)sincos(2
1
22
21
2
1
ααμ −⋅⋅⋅−
=
⋅= ∫
gvvl
dvva
dlv
v
L
Kočenje je namjerno (umjetno) povećanje tangencijalnih sila između kotača i podloge, kojem je svrha usporavanje ili zaustavljanje dvokolice.
Tijekom kočenja kinetička se energija bicikla i vozača kočenjem pretvara u toplinu koja se radi osiguravanja funkcioniranja kočnica odvodi u okolinu.
O uspješnosti kočenja sudi se na osnovu veličine usporenja i puta kočenja.
Suma sila u smjeru vožnje
αμ
α
sin
sin
21
21
⋅⋅=+
⋅=
⋅−+=
GFFgGaF
GFFF
KK
KI
KKI
Kočenje je namjerno (umjetno) povećanje tangencijalnih sila između kotača i podloge, kojem je svrha usporavanje ili zaustavljanje dvokolice.
Tijekom kočenja kinetička se energija bicikla i vozača kočenjem pretvara u toplinu koja se radi osiguravanja funkcioniranja kočnica odvodi u okolinu.
O uspješnosti kočenja sudi se na osnovu veličine usporenja i puta kočenja.
Suma sila u smjeru vožnje
αμ
α
sin
sin
21
21
⋅⋅=+
⋅=
⋅−+=
GFFgGaF
GFFF
KK
KI
KKI
Iz prethodne tri jednadžbe => usporenje pri kočenju:Put kočenja: put što ga bicikl pređe od trenutka aktiviranja kočnica do trenutka zaustavljanja, odnosno
usporenja do neke nove, niže brzine.
v1 brzina bicikla prije, a v2 nakon kočenja
Kod bicikla dodatnu pozornost privlači problem uzdužne stabilnosti pri kočenju, jer kod naglog zaustavljanja (pogotovo na nizbrdici) postoji opasnost odizanja stražnjeg kotača od tla.
Opterećenje prednjeg i stražnjeg kotača pri kočenju:
[ ]
[ ]αμαα
αμαα
cos)(sincos
cos)(sincos
2
1
⋅⋅−⋅=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅−⋅⋅=
⋅⋅+⋅=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅+⋅⋅=
TK
TN
TK
TN
hawG
gaha
wGF
hbwG
gahb
wGF
)sincos( ααμ −⋅⋅= ga
)sincos(2
1
22
21
2
1
ααμ −⋅⋅⋅−
=
⋅= ∫
gvvl
dvva
dlv
v
L
za određivanje kritične veličine usporavanja kod koje dolazi do gubitka uzdužnog stabiliteta treba izraz za opterećenje stražnje osovine izjednačiti s nulom, tj. FN2 = 0:
Kod brdskih bicikala težište bicikla i vozača više je pomaknuto prema osovini stražnjeg kotača nego kod cestovnih što osigurava:
• veću adhezionu težinu pogonskog kotača• ravnomjerniju raspodjelu sile kočenja na prednji i stražnji kotač• povećanu uzdužnu stabilnost bicikla
RA
SPO
RED
OPT
EREĆ
ENJA
NA
KO
TAČ
EKOČENJE
Kako je FK= μ·FN , faktor raspodjele sile kočenja XKiznosi:
za ostvarenje maksimalnog usporenja potrebno je da vrijednost XK poprimi što niže vrijednosti => jer je pri tome manja razlika u ostvarenju sile kočenja između prednjeg i stražnjeg kotača
za što ujednačeniju raspodjelu sila kočenja potrebno je da težište bicikla i vozača bude što niže i više pomaknuto osovini stražnjeg kotača
T
T
KT
KT
N
N
K
KK ha
hb
gaha
gahb
FF
FFX
⋅−⋅+
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅−⋅
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅+⋅
===μμ
αα
αα
sincos
sincos
2
1
2
1
( )αα sincos ⋅−⋅⋅= TT
K hahga
Visina težišta bicikla iznad tla:
TEŽ
IŠTE
–K
LJUČ
NI B
IOM
EHA
NIČ
KI P
AR
AM
ETA
R
TEŽIŠTE
U svim razmatranjima koja se odnose na mehaničke značajke bicikla javlja se kao ključna veličina zajedničko težište vozača i bicikla.
Za određivanje zajedničkog težišta potrebno je odvojeno odrediti• središte masa ljudskog tijela• težište bicikla.Kao ishodište koordinatnog sustava najpogodnija je točka os pogona:• kao čvrsta točka okvira• kao točka oko koje se okreću pedale.
TEŽIŠTE BICIKLAPoložaj težišta bicikla
određuje se eksperimentalnim putem – vaganjem
Pretpostavlja se da je bicikl konstruiran simetrično s obzirom na uzdužnu ravninu, pa je potrebno odrediti položaj težišta u toj ravnini simetrije
rwh
GFF
hwh
B
PPTB +−⋅
−⋅= 2
212
2
1
TEŽ
IŠTE
–K
LJUČ
NI B
IOM
EHA
NIČ
KI P
AR
AM
ETA
R
TEŽIŠTE
TEŽIŠTE VOZAČAPoložaj težišta vozača određuje se iz
umnoška volumena i gustoće dijelova ljudskog tijela (podaci W.T. Dempster)
dijelovi tijela koji miruju:• glava i trup• nadlaktica i podlaktica• šake
pokretni dio tijela:• stopala• potkoljenice• bedra
Koordinate težišta pokretnog dijela tijela izračunavaju se zasebno za lijevu i desnu nogu jer su pri vrtnji pedala one pomaknute u fazi za 180°
TEŽ
IŠTE
–K
LJUČ
NI B
IOM
EHA
NIČ
KI P
AR
AM
ETA
R
TEŽIŠTE
TEŽIŠTEU tijeku jednog okreta pedala težište načini dva
obilaska po zatvorenoj krivuljizbog malog pomicanja zajedničkog težišta
vozača i bicikla može se uzeti da težište mirujeza približne proračune kod normalnih izvedi
brdskih bicikala može se uzeti da je položaj težišta na sjecištu:
• horizontale koja dodiruje gornju površinu sjedišta• i vertikale koja prolazi kroz os pogona
ELEM
ENTI
OB
LIK
OVA
NJA
BIC
IKLA
ELEMENTI OBLIKOVANJA BICIKLA
ERGOMETRIJAKvaliteta kontakta koji povezuje čovjeka s njegovim uređajima često određuje sposobnost i krajnje
performanse sprege čovjek-stroj.Početak bilo kakve simbioze čovjek-stroj leži u objektivnom poznavanja čitavog opsega veličina čovjekovog
tijela, njegovog oblika i mehaničkih mogućnosti.
ELEM
ENTI
OB
LIK
OVA
NJA
BIC
IKLA
ELEMENTI OBLIKOVANJA BICIKLA
ELEM
ENTI
OB
LIK
OVA
NJA
BIC
IKLA
ELEMENTI OBLIKOVANJA BICIKLA
UPRAVLJIVOST BICIKLANeutralno upravljanje podrazumijeva da se pri ulasku bicikla u zavoj zakrenuti prednji kotač zadržava smjer u
koji je zakrenut (bez tendencije da se ispravi ili zakrene još jače).Pri ulasku u zavoj većom brzinom giroskopski efekt rotirajućih kotača i inercijska sila vozača i bicikla pružaju
otpor skretanju u zavoj i pokušavaju održati gibanje po pravcu. => bicikl će se ponašati podupravljivo.Da bi se eliminirala takva podupravljivost treba “fork rake“ izabrati iz područja nadupravljivostiS nadupravljivim “fork rake“ osiguravamo:
neutraliziranje sila koje izazivaju podupravljivost,bolju upravljivost bicikla,manju silu na upravljaču za usmjeravanje bicikla u željenom pravcu.
ELEM
ENTI
OB
LIK
OVA
NJA
BIC
IKLA
ELEMENTI OBLIKOVANJA BICIKLA – OBLICI I MATERIJALI OKVIRA
ELEM
ENTI
OB
LIK
OVA
NJA
BIC
IKLA
ELEMENTI OBLIKOVANJA BICIKLA
OBLIKOVANJE UVJETOVANO IZBOROM KOMPONENATA - PRIMJERIKonačno oblikovanje elemenata okvira uvjetovano je izborom komponenata koje će se primijeniti na biciklu.Tehnologično oblikovanje, točnost izrade i geometrijski ispravno pozicioniranje pojedinih dijelova okvira
uvjetuju kvalitetu djelovanja okviru pridruženih komponenata.
ELEM
ENTI
OB
LIK
OVA
NJA
BIC
IKLA
ELEMENTI OBLIKOVANJA BICIKLA
ELEM
ENTI
OB
LIK
OVA
NJA
BIC
IKLA
ELEMENTI OBLIKOVANJA BICIKLA
ELEM
ENTI
OB
LIK
OVA
NJA
BIC
IKLA
ELEMENTI OBLIKOVANJA BICIKLA
BRDSKI BICIKLI
BRDSKI BICIKLI
HARDTAIL BICIKLI
GRADSKI BICIKLI
CESTOVNI BICIKLI
“TEHNIČKI DETALJI” NA BICIKLIMA
BICIKL BUDUĆNOSTI