SPECIALIZAREA AUTOVEHICULE RUTIERE LUCRARE DE LICENȚĂ Coordonator stiințific: Ș.l.dr.ing Nicolae Stelian LONTIȘ Absolvent: Martin Iosif CUCU… [308120]

UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMIȘOARA

FACULTATEA DE MECANICĂ

DEPARTAMENTUL MAȘINI MECANICE UTILAJE ȘI TRANSPORTURI

SPECIALIZAREA AUTOVEHICULE RUTIERE

LUCRARE DE LICENȚĂ

Coordonator stiințific:

Ș.l.dr.ing Nicolae Stelian LONTIȘ

Absolvent: [anonimizat]

2018

UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMIȘOARA

FACULTATEA DE MECANICĂ

DEPARTAMENTUL MAȘINI MECANICE UTILAJE ȘI TRANSPORTURI

SPECIALIZAREA AUTOVEHICULE RUTIERE

DETERMINAREA COEFICIENTULUI AERODINAMIC AL UNEI CAROSERII DE VEHICUL REALIZAT LA SCARĂ MODELARĂ PRIN IMPRIMARE 3D ÎN TUNELUL AERODINAMIC

Coordonator stiințific:

Ș.l.dr.ing Nicolae Stelian LONTIȘ

Absolvent: [anonimizat]

2018

Universitatea POLITEHNICA Timișoara

Facultatea de Mecanică

Departamentul MMUT/Colectivul

Specializarea AUTOVEHICULE RUTIERE

PLAN TEMATIC

Pentru lucrarea de licență: Determinarea coeficientului aerodinamic al unei caroserii de vehicul realizat la scară modelară prin imprimare 3D în tunelul aerodinamic

Numele și prenumele Martin Iosif CUCU

A. Proiectul trebuie să conțină:

1. Partea scrisă (Memoriul de prezentare):

[anonimizat],

[anonimizat],

[anonimizat],

Declarația de rezolvare integrală și personală a proiectului.

2. Partea grafică:

Prezentarea grafică în PowerPoint după model agreat UPT

B. Data preluării temei: 10.12.2017

C. Locul de desfășurare a programului de documentare/practică: [anonimizat]

D. Îndrumătorul de proiect: -cadru didactic: Ș.l. dr. Ing. Nicolae Stelian LONTIȘ

de la unitate de documentare:

E. Data pentru predarea proiectului: 01.06.2018

Nota propusă: Îndrumatorul de proiect:

………………….. …………………….

………………….. ……………………..

CUPRINS

1. Introducere – Imprimarea 3D

1.1 Ce este imprimarea 3D?

Imprimarea 3D sau fabricația aditivă este un proces de realizare a [anonimizat]. Crearea unui obiect imprimat 3D se realizează utilizând procese aditive. Într-[anonimizat], care pot fi văzute prin secționarea obiectului final [16].

Imprimarea 3D [anonimizat] o [anonimizat], cu o mașină de frezat. Această tehnologie permite realizarea unor forme complexe utilizând mai puține resurse decât în cazul metodelor tradiționale de fabricare [16].

Figura 1.1 Imprimantă 3D Creality CR 10S [1]

1.2 Cum funcționează imprimarea 3D?

Totul începe prin crearea unui model 3D [anonimizat] (Computer Aided Design). Un obiect poate fi creat prin modelare 3D cu ajutorul unui sistem de modelare 3D sau pe baza datelor generate cu un instrument de scanare 3D (scanner), cu ajutorul căruia se realizează o copie digitală a unui obiect [16].

Sistemele de modelare 3D [anonimizat], [anonimizat] (open source). Adesea acestea sunt realizate pentru a se potrivi cu funcțiile industriei în care sunt utilizate. Acest lucru a dus la dezvoltarea mai multor tipuri de sisteme de modelare 3D unor nișe specifice. [anonimizat], [anonimizat]e etc [16].

Din aceste motive, la începutul construcției unui obiect, trebuie aleasă categoria din care face parte obiectul dorit și alegerea instrumentelor potrivite fabricării acestuia. După realizarea modelului 3D se trece la pașii pregătitori pentru a-l face printabil 3D [16].

„Felierea” (Slicing):De la modelul 3D la imprimanta 3D.

Înainte de imprimarea propriu-zisă, modelul 3D trebuie pregătit, acesta este un proces de discretizare numit și feliere (slicing), proces prin care modelul este împărțit în sute sau mii de straturi orizontale realizate cu ajutorul unui sistem de discretizare (slicer). Totodată se verifică și eventualele erori în fișierul STL: găuri, coliziuni, care sunt reparate automat.

Rezoluția imprimantei descrie grosimea stratului imprimat iar rezoluția poate fi expimată în puncte pe inch sau micrometri. Grosimea uzuală a stratului imprimat este de aproximativ 100 μm (250DPI), iar unele imprimante pot atinge valori de până la 16 μm (1600DPI). Rezoluția X-Y poate fi comparată cu cea a imprimantelor laser. Particulele (puncte 3D) au diametre cuprinse între 50-100 μm (510-250DPI). Pentru această rezoluție a imprimantei se generează un model STL optim. Specificarea unor rezoluții mai mare duce la obținerea unor fișiere mai mari, fapt care nu crește calitatea imprimării.

Construcția unui model poate dura de la câteva ore până la câteva zile, în funcție de metoda de imprimare utilizată, de mărimea fișierului și complexitatea modelului. Sistemele de aditivi pot reduce acest timp de imprimare, prin reducerea straturilor imprimate [16].

După realizarea discretizării, modelul 3D poate fi încărcat pe microcontroller-ul imprimantei prin USB, card de stocare a datelor, Bluetooth sau Wi-Fi, depinzând de modelul imprimantei si funcțiile acesteia. După stocarea modelului în memoria imprimantei, acesta este gata de imprimare [16].

Deși rezoluția produsă de imprimantă este suficientă pentru multe aplicații, prin imprimarea unei versiuni ușor supradimensionate a obiectului dorit în rezoluția standard și apoi îndepărtarea materialului cu un proces substractiv, se poate obșine o precizie mai mare. Alegerea unei structuri stratificate și a unei grosimi a pereților nepotrivite pot conduce involuntar la un efect de întindere sau surpare a suprafețelor [16].

Tehnicile tradiționale, cum ar fi turnarea prin injectare pot fi mai puțin costisitoare pentru fabricarea pieselor polimerice în cantități industriale, dar producția de aditivi este mai rapidă, mai flexibilă și mai puțin costisitoare pentru producerea pieselor în cantități relativ mici [16].

Unele tehnici de imprimare necesită suporturi interne pentru a construi modele in relief sau pentru piese ale căror părți nu au contact direct cu suprafața de imprimare. Aceste suporturi trebuiesc îndepărtate mecanic sau dizolvate în soluții special la finalizarea tipăririi. Totodată există tehnici de îmbinare a materialelor utilizate în cursul construcției pieselor. Aceste tehnici permit imprimatea obiectelor de diferite culori și structuri [14].

Componentele unei imprimante:

a) filament

b) cap de ghidare (extruder)

c) obiectul imprimat

d) ghidaje de susținere

e) platformă în mișcare numită și pat

f) încăpere pentru menținerea constantă a temperaturii [14]

Figura 1.2 Reprezentare schematică a tehnicii de tipărire 3D [2]

1.3 Tipuri de filament

Imprimarea 3D a diferitelor obiecte se realizează cu filament. Acesta se alege în funcție de anumite criterii impuse de domeniul în care este ultilizat obiectul și eventualele criterii stabilite de producător. În consecință, filamentele sunt de mai multe tipuri, implicând diferențe de structură, maleabilitate, cost, diametru etc [16].

Figura 1.3.1 Exemplu de filament [3]

Tipuri de filamente:

ABS (Acronitril butadien stiren)

A fost cel mai popular material folosit pentru a imprima primele modele 3D cu câțiva ani în urmă și este extrem de popular și acum. Acest material este foarte durabil, ușor flexibil și poate fi ușor extrudat, ceea ce îl face perfect pentru imprimarea 3D. Totodată necesită mai puțină forță de extrudare, fapt ce constituie un avantaj în tipărirea pieselor mici. Dezavantajul acestui material îl constituie necesitatea unei temperaturi mai ridicate de extrudare, temperatura de tranziție fiind de aproximativ 105˚C, iar temperatura de extrudare fiind de 210-250˚C utizilată în mod obișnuit.

De asemenea, un alt dezavantaj al acestui material este fumul pe care-l emană în timpul imprimării, care poate fi periculos pentru persoanele sau animalele cu probleme respiratorii, de aceea imprimanta trebuie plasată într-o zona bine ventilată.

Având în vedere costul filamentelor, ABS-ul este cel mai ieftin, ceea ce îl face favorit în comunitățile de tipărire 3D [16].

Figura 1.3.2 Filament ABS [4]

PLA (Acid Poliactic)

Este un alt material răspândit în lumea imprimantelor 3D, fiind un material termoplastic biodegradabil, care derivă din resure regenerabile. Ca urmare aceste materiale sunt mai ecologice, și totodată biocompatibile cu corpul uman. Structura PLA-ului este mai puternică decât al ABS-ului, iar temperatura de topire este între 180-220˚C iar temperatura de tranzitie fiind între 60-65˚C [16].

Figura 1.3.3 Filament PLA [5]

PVA (Alcool polivinilic)

Filamentele PVA sunt ușor de tipărit și sunt utilizate pentru structurile de susținere a obiectului în timpul procesului de imprimare, pentru acele modele care au suprapuneri sau anexe care, indiferent de plasarea obiectului, vor fi în aer, acestea neputând fi imprimate neavând un punct de sprijin. Acest tip de filament este perfect pentru un extruder dual, principalele caracteristici fiind nontoxicitatea si biodegrabilitatea, obiectele imprimate pot fi introduse în apă iar suporții de PVA se vor dizolva [16].

Figura 1.3.4 Filament PVA în proces de dizolvare [6]

Figura 1.3.5 Obiectul finit, după dizolvarea filamentului de PVA [7]

PC (Policarbonat)

Policarbonatul este un material termoplastic extrem de puternic, rezistent la impact, utilizat pe scară largă în industria auto, aerospațială, medicală și multe alte domenii. Acest material are proprietăți mecanice deosebite și rezistență la căldură ridicată și printre cele mai mari forțe de tracțiune dintre toate tipurile de filament. Componentele imprimate cu un astfel de filament au o structură rezistentă și sunt precise. Materialul este de asemenea biocompatibil și poate fi sterilizat, de aceea este foarte popular pentru nevoile de prototipuri, teste funcționale, scule și compozite. Materialul trebuie extrudat la o temperatură de cel puțin 300˚C [16].

Figura 1.3.6 Filament PC [8]

2. Aparatura de lucru și instrumente de măsură

Pentru realizarea lucrării experimentale de determinare a rezistenței aerului a unei caroserii am folosit urmatoarele:

2.1 Imprimanta 3D TEVO Tarantula

2.2 Stand tunel aerodinamic

2.3 Senzor generator de sarcină electrică (Punte Wheatstone)

2.4 Barometru

2.5 Sondă Pitot – Prandtl

2.6 Anemometru TESTO 425 și 426

2.1 Imprimanta 3D TEVO Tarantula

Impimanta 3D TEVO Tarantula este produsă în China și a fost lansată in 2016, poate fi echipată cu un senzor de proximitate pentru auto-nivelarea patului de imprimare din aluminiu sau cu un micro-comutator pentru detectarea sfârșitului traseului patului pentru deplasarea axei Z, imprimanta utilizată fiind una cu micro-comutator. Rama este formată dintr-o structură clasică, echipată cu o centură CNC cu curea pentru reducerea ondulațiilor în materialul imprimat.

Placa de tipărire din aluminiu (patul) are dimensiunile de L=200 [mm] (lungime), l=200 [mm] (lățime) și h=200 [mm] (înălțime), deplasarea ei fiind limitată de dimensiunile fizice ale cadrului în sine care este de aproximativ 220 [mm] pentru axa X, 260-270 [mm] pentru axa Y și 200 [mm] pentru axa Z.

Capul de imprimare (extruder) poate utiliza un filament de diametru 1.75 [mm], acuratețea de imprimare fiind de 12x12x4 [µm] și o rezoluție de 50 [µm] cu o viteză de imprimare de 70 [mm/s].

Temperatura maximă a capului de imprimare (extruder) poate atinge temperatura de 260°C iar cea a patului de 110°C.

Imprimanta este echipată cu un ecran pentru afișarea și ajustarea parametrilor de imprimare, un slot pentru carduri SD și slot USB, masa totală fiind de 7,5 [kg] [16].

Figura 2.1.1 Display imprimantă [9]

Figura 2.1.2 Imprimanta 3D TEVO Tarantula [10]

2.2 Stand tunel aerodinamic

Cadrul tunelului aerodinamic este format din elemente de lemn și două plăci transparente de plexiglas pentru vizualizarea părții experimentale. În partea superioară se află 5 orificii pentru poziționarea sondei Pitot-Prandtl, iar in partea inferioară un orificiu pentru poziționarea senzorului generator de sacrină electrică. Un ventilator alimentat de la o sursă de tensiune 220 [V] este plasat la capătul acestuia pentru a simula curgerea aerului printr-un tub de secțune dreptunghiulară.

Figura 2.2.1 Tunel aerodinamic și orificiile de plasare a sondei Pitot

2.3 Anemometru TESTO 425 și 426

Anemometrul TESTO 425 s-a folosit pentru măsurarea vitezei aerului, iar TESTO 426 atât pentru măsurarea vitezei aerului cât și a temperaturii. S-au folosit două anemometer pentru creșterea preciziei măsurătorii.

Figura 2.3.1 Anemometru 425 și 426

2.4 Barometru

Barometrul a fost folosit pentru determinarea presiunii din încăperea unde a fost realizată lucrarea experimentală

Figura 2.4.1 Barometru

2.5 Senzorul generator de sacrină electrică (Punte Wheatstone)

–

Senzorii generatori de sarcină electrică sau punțile Wheatstone sunt folosite pentru determinarea variației rezistențelor electrice. Reglarea punții se face prin intermediul rezistențelor R2, R3 și R4 astfel încât tensiunea de ieșire la momentul inițial când senzorul primește un semnal să fie zero, altfel spus Rsenzor=R2 și R3=R4.

Fig 2.5.1 Reprezentare schematică a unei punți Wheatstone (un singur braț activ) [11]

Compensarea efectelor de variație a senzorului la măsurarea forțelor se face folosind senzori suplimentari care vor fi legați în bratele punții astfel încât să se elimine efectele nedorite.

Alimentarea punții se va face în curent alternativ iar tensiunea alternativă de ieșire va fi modulată în amplitudine.

Figura 2.5.2 Punte Wheatstone

2.6 Sonda Pitot-Prandtl

Sonda Pitot-Prandtl este formată din două tuburi concentrice care pot măsura presiunea prin intermediul deschiderilor de la capete și ajută la măsurarea vitezei în interiorul unui fluid în mișcare. Capătul interior al sondei de formă emisferică este introdus în lungul direcției de curgere a fluidului astfel încât orificiul central să reprezinte un punct de impact, orificiu prin care se va transmite presiunea totală. Prin cele două tuburi se va transmite presiunea totală și presiunea statică spre un aparat de măsură a presiunii diferențiale.

Figura 2.6.1 Reprezentare schematică a sondei Pitot-Prandtl

Figura 2.6.2 Sondă Pitot-Prandtl

3. Conceptul de caroserie proiectat în CAD și imprimat 3D

3.1 Cercetare și stabilire cote

Conceptul de caroserie a fost realizat în mediul de proiectare 3D PTC Creo Parametric 2.0.

Pentru proiectarea modelului la scară modulară s-a realizat un studiu dimensional al cotelor de gabarit (ampatament+ecartament) al autovehiculelor din clasa compactă, respectiv „hatchback” comercializate in Europa. În studiu s-a urmărit preluarea datelor de la autovehiculele de ultimă generație, respectiv ultimele serii de autovehicule comercializate din această clasă.

3.1.1 Tabel privind datele pentru realizarea studiului [15]

3.1.1 Figura ampatament – dimensiuni în funcție de model

3.1.2 Figura ecartament – dimensiuni în funcție de model

Pentru a obține date relevante în urma studiului de piată s-a continuat cu realizarea unei statistici de tip ANOVA (Analysis of Variance).

Metoda ANOVA

Analiza varianței (ANOVA) este o colecție de modele statistice și proceduri associate acesteia folosite în analiza diferitelor diferențe dintre grupuri. ANOVA a fost elaborată de biologul statistician Ronald Fisher, în forma sa cea mai simplă oferă un test statistic privind similitudinea dintre grupuri. Este conceptual similar cu testele multiple de tip T dar fiind mai conservator erorile rezultatelor sunt mai mici și prin urmare este potrivit pentru o gamă largă de probleme practice [14].

Statistica de tip ANOVA a fost realizată cu ajutorul OriginLab, soft de realizare a figuraelor stiințifice interactive și de analiză a datelor.

Figura 3.1.3 Rezultate obținute în urma metodei ANOVA

În urma studiului și a statisticii ANOVA s-au obținut următoarele rezultate:

Figura 3.1.4 Rezultate ampatament și ecartament

Ampatament = 2853 [mm]

Ecartament = 1514 [mm]

3.1.5 Figura privind ampatamentul și ecartamentul rezultat

Pentru realizarea modelului 3D al caroseriei la scară modulară s-a optat pentru scara [1:22] și s-au obținut următoarele valori:

Ampatament = 117,4 [mm]

Ecartament = 68,81 [mm]

Cotele de gabarit la scara [1:1] s-au ales constructiv astfel:

Lungime = 4200 [mm]

Lățime = 1850 [mm]

Înălțime = 1394 [mm]

Cote de gabarit la scara [1:22]:

Lungime = 190,9 [mm]

Lățime = 84,09 [mm]

Înălțime = 63,35 [mm]

3.2 Etapele proiectării

Macheta realizată este demontabilă și a fost concepută din două componente principale respectiv șasiu și caroserie. Partea mobilă se realizează prin intermediul a patru roți montate pe două axe, care reprezintă puntea față respectiv puntea spațe a machetei. Cele două componente se asamblează cu ajutorul a șase șuruburi cu diametru de 4 [mm]. S-a ales această soluție constructivă din următoarele considerente:

Posibilitatea demontării caroseriei de pe șasiu și înlocuirea acesteia cu o alta pentru încercări comparative;

Posibilitatea de imprimare a celor două componente în două procese de imprimare diferite;

Micșorarea eventualelor erori de imprimare datorită timpului redus de imprimare al componentelor.

3.2.1 Șasiul

Șasiul a fost construit prin generarea unei schițe în planul orizontal și mai apoi prin comanda de extrudare s-a generat placa propriu-zisă cu o grosime de 2 [mm].

Figura 3.2.1.1 Schița de generare a șasiului

Figura 3.2.1.2 Placa extrudată

S-au extrudat cu îndepărtare de material 4 dreptunghiuri identice cu lungimea=32 [mm] respectiv lătimea=12 [mm], pentru amplasarea rotilor.

Figura 3.2.1.3 Crearea spațiilor destinate amplasării roților

Figura 3.2.1.3 Spații pentru amplasarea roților

În următoarea etapă s-au realizat lagărele de prindere ale axelor roților. S-au generat lagăre cu diametru interior de 4,5 [mm] iar cel exterior de 12 [mm].

Figura 3.2.1.11 Schiță lagăr

Figura 3.2.1.12 Vedere isometrică lagăre

În continuare s-au generat bosajele de fixare ale caroseriei pe șasiu astfel, diametrul interior fiind de 3 [mm] iar cel exterior de 8 [mm].

Figura 3.2.1.13 Bosaje șuruburi

Pentru poziționarea mai bună a caroseriei s-au adăugat pereți de ghidaj. Totodată s-au adăugat raze și teșituri pentru finisarea șasiului.

Figura 3.2.1.14 Vedere de sus a șasiului

Figura3.2.1.15 Vedere izometrică a șasiului în forma finală

Setări de imprimare: șasiul a fost imprimat cu filament de diametru 1,75 [mm], cu o viteză de imprimare de 50 [mm/s], termperatura extruderului diin de 212°C iar a patului de 55°C, iar umplerea cu material cu densitate de 20%, înălțimea stratului fiind de 0,2 [mm]. Timp de imprimare: 2 ore și 27 de minute, material folosit: 44 [g].

Figura 3.2.1.16 Setări de tipărire

Figura 3.2.1.17 Șasiu imprimat 3D

3.2.2 Caroseria

Caroseria a fost generată utilizând suprafețe în modulul Freestyle pornind de la o figură geometrică sferică. În continuare se vor prezenta etapele modelării sferei pentru a obține design-ul acesteia.

Figura 3.2.2.1 Modelarea caroseriei, figura geometrică de pornire

Figura 3.2.2.2 Modelarea caroseriei, redimensionare

Figura 3.2.2.3 Modelarea caroseriei, stabilirea cotelor de gabarit

Figura 3.2.2.4 Modelarea caroseriei, adăugarea spațiilor destinate roților

Figura 3.2.2.5 Modelarea caroseriei, adăugarea habitaclului

Figura 3.2.2.6 Modelarea caroseriei și a habitaclului

Figura 3.2.2.7 Modelarea caroseriei, definirea design-ului, vedere din față

Figura 3.2.2.8 Modelarea caroseriei, definirea designului, vedere din spate

S-a adăugat o grosime de 2 [mm] suprafeței obținute în urma modelării sferei.

Figura 3.2.2.9 Modelarea caroseriei, adăugarea grosimii

S-a realizat prin decupare spațiul destinat luminilor (faruri, stopuri) cât și grilajele de aerisire.

Figura 3.2.2.10 Modelarea caroseriei, decupaje faruri și grilaj de aerisire

Figura 3.2.2.11 Modelarea caroseriei, decupaje stopuri

S-a realizat prin decupare structura parbrizului, lunetei, geamurilor laterale cât și forma ușilor pentru a menține o formă cât mai autentică a caroseriei.

Figura 3.2.2.12 Modelarea caroseriei, decupaje parbriz, geamuri și uși

Figura 3.2.2.13 Modelarea caroseriei, decupaje lunetă, geamuri și uși

S-a adăugat elemente de design precum oglinzi retrovizoare, faruri, proiectoare de ceață, stopuri, siglă și orificii pentru țevile de evacuare.

Figura 3.2.2.14 Modelarea caroseriei, faruri, siglă și proiectoare de ceață

Figura 3.2.2.15 Modelarea caroseriei, stopuri și țevi de evacuare

Figura 3.2.2.16 Modelarea caroseriei, oglinzi retrovizoare

Pentru îmbinarea celor două componente (caroserie și șasiu) am realizat șase bosaje cu dimensiuni identice celor de pe șasiu.

Figura 3.2.2.17 Modelarea caroseriei, bosaje șuruburi

Figura 3.2.2.18 Modelarea caroseriei, bosaje șuruburi

Figura 3.2.2.19 Modelarea caroseriei, bosaje șuruburi

Caroseria s-a imprimat din două bucăți pentru a utiliza mai putin material pentru suport și pentru imprimarea mai precisă a detaliilor caroseriei. Într-un final caroseria s-a lipit cu adeziv pentru plastic. Setări de imprimare: caroseria a fost imprimată cu filament de diametru 1,75 [mm], cu o viteză de imprimare de 30 [mm/s], termperatura extruderului diin de 212°C iar a patului de 60°C, iar umplerea cu material cu densitate de 20%, înălțimea stratului fiind de 0,15 [mm]. Timp de imprimare: 27 ore și 41 de minute, material folosit: 138 [g].

Figura 3.2.2.20 Setări imprimare caroserie

Figura 3.2.2.21 Setări imprimare caroserie

Figura 3.2.2.22 Caroserie imprimată 3D, vedere din exterior

Figura 3.2.2.23 Caroserie imprimată 3D, vedere frontală

Figura 3.2.2.24 Caroserie imprimată 3D, vedere interior

3.2.3 Roți și axe

Roțile au fost generate prin extrudarea cu 10 [mm] a unui cerc cu diametru 28 [mm].

Decupajul în formă de L a fost făcut pentru sprijinirea roților pe un ghidaj pentru eliminarea forțelor axiale, iar grosimea mica a părții care intră în contact cu calea de rulare pentru reducerea forței de frecare cu solul.

Figura 3.2.2.25 Model CAD roată, vedere din lateral și din față

Figura 3.2.2.26 Roți imprimate 3D

Pentru simplificarea sistemului, în construcția prinderii roților pe șasiu s-au folosit două tije filetate cu diametru de 4 [mm] și lungime 85 [mm]. Utilizarea rulmenților nu a fost necesară datorită masei reduse a machetei. S-a folosit un lubrefiant WD40 pentru a reduce frecarea axelor de lagărele din șasiu.

Figura 3.2.2.27 Vedere axe și roți asamblate pe șasiu

Figura 3.2.2.28 Vederi machetă asamblată

Figura 3.2.2.29 Vederi machetă asamblată

4. Determinarea rezistenței aerului în tunelul aerodinamic

4.1 Partea experimentală s-a realizat cu ajutorul senzorilor și a tunelului aerodinamic menționate în capitolul 2. Pentru vizualizarea, citirea și interpretarea datelor experimentale s-a utilizat programul de achiziție de date National Instruments – Labview.

Figura 4.1.1 Programul de achiziție de date National Instruments – Labview

Pentru obținerea unor date cât mai relevante, puntea Wheatstone s-a calibrat cu ajutorul unor greutăți etalon. S-a plasat senzorul în poziție orizontală și s-a adăugat rând pe rând greutăți din gram în gram pornind de la zero grame.

Figura 4.1.2 Greutăți etalon

Figura 4.1.3 Procesul de calibrare a punții Wheatstone

Senzorul emite un semnal sub formă de tensiune, care este citit și interpretat cu ajutorul ecuației dreptei. Fiecărei greutăți îi corespunde un anumit voltaj.

Figura 4.1.4 Curba de calibrare totală

După calibrarea senzorului, s-a măsurat presiunea cu barometrul (subcapitol 2.4) iar mai apoi s-a măsurat viteza din tunel cu ajutorul sondei Pitot (subcapitol 2.6) și al anemometrelor (subcapitol 2.3).

Tabel 4.1.1 Viteza în tunel

Folosind anemometrul respectiv barometrul s-au determinat la momentul măsurătorilor temperatura respectiv presiunea. Aceste valori determină din tabelele termotehnice o densitate a aerului aproximativ de 1,225 kg/m3, valoare care s-au folosit în determinarea rezistenței aerului.

În determinarea rezistenței aerului este necesară a se ști și aria frontală a vehiculului. Aria frontală pentu modelul creat la imprimantă 3D a fost calculată direct cu programul CAD – PTC Creo Parametric 2.0 și a rezultat o valoare de 0,0039 [m2].

Figura 4.1.5 Aria frontală a vehiculului imprimat 3D

Următorul pas a fost măsurarea rezistenței aerului în tunel, în următoarea ordine:

Măsurători în tunel cu ventilatorul oprit și fără machetă;

Măsurători în tunel cu ventilatorul pornit și cu macheta pe stand.

4.2 Măsurători în tunel cu ventilatorul oprit și fără machetă

Timp de două minute s-au realizat măsurători cu ventilatorul oprit și fără machetă. La finalul măsurătorilor s-au colectat 2000 de valori după care s-a făcut o medie.

4.3 Măsurători în tunel cu ventilatorul pornit și macheta pe stand

S-a plasat macheta pe stand iar cu ajutorul punții Wheatstone s-au realizat patru încercări experimentale, în care s-au înregistrat timp de două minute pentru fiecare încercare câte 2000 de valori, apoi s-a realizat o medie a valorilor. Semnalul transmis de puntea Wheatstone este sub formă de tensiune.

4.3.1 Încercarea experimentală 1

Figura 4.3.1.1 Încercarea experimentală 1

4.3.2 Încercarea experimentală 2

Figura 4.3.2.1 Încercarea experimentală 2

4.3.3 Încercarea experimentală 3

Figura 4.3.3.1 Încercarea experimentală 3

4.3.4 Încercarea experimentală 4

Figura. 4.3.4.1 Încercarea experimentală 4

Pentru a obține valoarea reală a rezistenței aerului, din cele patru încercări experimentale, se va scădea valoarea obținută la subcapitolul 4.2.

Tabel 4.3.1 Valori calculate pentru determinarea rezistenței aerului

Pentru a valida încercările s-au realizat patru încercări experimentale succesive. Din valorile obținute la încercările experimentale succesive se observă că până la a treia zecimală valorile sunt identice, ceea ce atestă că valoarea obținută pentru rezistența aerului (la scară modelară) este identică.

Având rezistența aerului măsurată vom calcula în continuare coeficientul aerodinamic al vehiculului creat prin imprimare 3D. Se știe că rezistența aerului are următoarea expresie analitică:

Ra = [N] [12,13]

Toate elementele din expresia analitică a rezistenței aerului au fost calculate anterior, rămânând a determina valoarea coeficientului aerodinamic a modelului realizat la imprimarea 3D. Pentru valorile obținute, ținând cont de scara la care a fost realizat modelul (1:22), viteza efluentului din tunelul aerodinamic, aria frontală a vehiculului, densitatea aerului și rezistența aerului, coeficientul aerodinamic pentru toate cele patru cazuri are aceiași valoare de cx = 0,22.

Din literatura de specialitate, un coeficient aerodinamic cx = 0,22 indică un automobil cu caracter sportiv [12,13].

4.4 Concluzii

La definirea modelului s-a realizat o analiză a ampatamentului respectiv ecartamentului pentru tipul de vehicul din clasa compact – hatchback. Validarea caracteristicilor geometrice (ampatament, ecartament) s-a realizat prin analiza statistică Anova descrisă la capitolul 3.

Modelul vehiculului realizat în programul CAD PTC Creo Parametric 2.0 a fost creat pornind de la modulul Freestyle sferic, disponibil în program. Astfel folosind modulul Freestyle s-a simplificat mult generarea caroseriei înspre imprimare 3D.

Materialul ales pentru imprimarea modelului este PLA (Acid Polilactic). Reducerea timpului de imprimare a modelului vehiculului a fost posibilă folosind acest material datorită proprietăților termoplastice ale acestuia (temperatură joasă de topire). Modelul imprimat rezultat prezintă un compromis din punct de vedere al suprafeței. Ținând cont de faptul că s-a urmărit obținerea unui coeficient aerodinamic cât mai scăzut, după realizarea modelului la imprimantă s-a realizat o prelucrare a suprafeței vehiculului.

Generarea complexă a caroseriei pe imprimanta TEVO Tarantula a fost posibilă doar secționând vehiculul în două generând suprafețele pe verticală pentru ambele părți.

Achiziția datelor experimentale s-a efectuat în mod continuu cu o frecvență de 20 [Hz] pentru pachete a câte zece valori, rezultând astfel o frecvență de înregistrare a datelor experimentale a câte 200 de bucăți pe secundă.

La determinarea coeficientului aerodinamic, s-a folosit valoarea măsurată direct a rezistenței aerului folosind principiul deformării plastice a unui material măsurată cu ajutorul timbrelor tensiometrice legate în punte Wheatstone.

S-a reușit la scară modelară obținerea unui coeficient aerodinamic cx = 0,22 folosind ca și material pentru imprimare de tip PLA. În atingerea acestei valori, modelul suprafața modelului a fost șlefuită peste care a fost aplicat 3 straturi de vopsea auto acrilică.

BIBLIOGRAFIE

[1] https://3dprinting.com/wp-content/uploads/2017/12/creality-cr10-s.jpg

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing#/media/File:Schematic_representation_of_Fused_Filament_Fabrication_01.png

[3]https://www.bhphotovideo.com/images/images2500x2500/makerbot_mp06591_10_pack_bundle_true_color_1073029.jpg

[4] http://www.desktop3dprinter.com/user/products/large/up-green-abs-filament.jpg

[5] https://www.perlesandco.co.uk/images/product/7/7/3/77357_full/im-Filament-PLA-for-printer-Dremel-3D-Idea-Builder-gold-tonex1.jpg

[6] http://3dprintingfromscratch.com/wp-content/uploads/2014/12/3d-printer-filaments-overview-hips-01.jpg

[7] http://3dprintingfromscratch.com/wp-content/uploads/2014/12/3d-printer-filaments-overview-hips-02.jpg

[8] http://www.desktop3dprinter.com/user/products/large/ultimaker-polycarbonate-pc-transparent-filament-2.jpg

[9]https://cdn.thingiverse.com/renders/f0/05/55/1b/c0/0cd44e7ce9a7a48c26e5a2384af98c0d_preview_featured.jpg

[10] https://www.3dhubs.com/s3fs-public/2016-newest-tevo-tarantula-i3-aluminium-extrusion-3d-printer-kit-printer-3d-printing-2-rolls-filament.jpg

[11] Motoare și autovehicule, experimente de monitorizare și control de Virgil Stoica și Sorin Holotescu, Editura Politehnica, Timișoara 2008

[12] Dinamica autovehiculelor, Îndrumar de proiectare de Stefan Tabacu, Ion Tabacu, ș.a., Ed Universității din Pitești, 2004

[13] Automobile, Dinamica de Tiberiu-Nicolae Macarie, Ed Universității din Pitești, 2003 ISBN 973-690-144-0

[14] http://wikipedia.org

[15] http://auto-data.net

[16] http://3dprinting.com