– Designul și Construcția unei turbo -trotinete – [629348]

Universitatea Politehnic ă Bucure ști
Facultatea de Inginerie Aerospa țială
Master Grafic ă Inginereasc ă și Design

Proiect de cercetare științifică
– Designul și Construcția unei turbo -trotinete –

Anul I sem I

Indrum ător de proiect:
Dr. Ing. Ionel Simion
Student: [anonimizat]

~ 2019 ~

2

Cuprins:

ABSTRACT ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 3
1. INTRODUCERE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 4
1.1 OBIECTIVE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 4
1.2 ISTORIC ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 5
1.3 TIPURI ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 6
1.4 UTILIZARI ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 6
1.5 LEGALITATE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 7
2. DESIGN ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 8
2.1 IMPLEMENTAREA CAD ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. 8
2.2 MOTORUL ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 9
2.3 SASIUL ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 10
2.4 SUSPENSIA ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 14
2.5 FRANA ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 14
3. CALCULUL VITEZEI MAXIME TEORETICE ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 14
4. BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 16

3
ABSTRACT

Aceasta lucrare se refera la proiectarea conceptuala si ulterior constructia unei trotinete echipate cu un
motor turboreactor pentru scopuri recreationale, o configuratie neconventionala in comparatie cu
trotinetele electrice pe care le intalnim zi de zi pe strazile fiecarui mare oras din Europa si din lume.
Lucrarea va consta in proiecratea unei trotinete cu aspect modern, care sa poata incorpora rezervorul de
combustibil se de ulei in cadrul acesteia, proiectarea unei punti cu o masa cat mai mica dar suficient de
rezistenta pentru a sustine o persoana si rezistenta la vibratiile induse de motorul turboreactor.
Se vor evalua performantele acesteia in comparatie cu o trotineta propulsata de putere musculara, o
trotineta electrica si o trotineta propulsata de un motor cu ardere interna.
Calculul structural va fi realizat folosind Ansys Workbench si se va incerca optimizarea distributiei de
material si a formei cadrului pentru obtinerea unei forme optime din punct de vedere al cnsumului de
material dar si din punct de vedere al rezistentei .

4
1. INTRODUCERE

Un scuter este un vehicul terestru acționat de om, cu un ghidon, punte și roți, care este propulsat de un
călăreț care împinge terenul. Cele mai comune scutere de astăzi sunt fabricate din aluminiu, titan și
oțel. Unele scutere pentru copii mai mici au 3 s au 4 roți și sunt fabricate din plastic.
Scuterele motorizate, alimentate din punct de vedere istoric de motoarele cu combustie interna și, mai
recent, motoarele electrice, sunt scutere cu propulsie capabile să atingă viteze d e aproximativ 30 km/h .
Aceste scutere sunt în general concepute cu o punte mare în centrul pe care se află călărețul. Primul
scooter de producție, "Sport", a fost lansat de Go -Ped în 1985. Recent, șoferii cu kick electric au
crescut în popularitate odată cu introducerea companiilor de parcare care folosesc aplicații care permit
utilizatorilor să închirieze scuterele cu minutul . Acestea au fost introduse în orașe mari precum
Washington DC, Las Vegas, San Francisco, Austin și Denver. Alte orașe mari precum Seattle încearcă
să păstreze a ceste companii de partajare a scuterelor până când pot modifica legile și drumurile pentru
a le face mai sigure. Fanii scuterelor le văd ca fiind niște alternative ieftine și ușoare de a zip în jurul
orașului, în timp ce alții își îndoiesc despre impactul pe termen lung. Cu siguranță, aceste scutere ar
putea fi o soluție excelentă în orașe în care traficul este atât de aglomerat încât a încetat, dar nu trebuie
ignorate preocupările legate de siguranță și fezabilitate. Companiile ar trebui să se asigure că p iloții
sunt conștienți de legile locale și avertizează în ceea ce privește siguranța, mențin scuterele, inclusiv
fixarea sau îndepărtarea celor rupte din zonele publice, și depun eforturile necesare pentru a se asigura
că piloții și scuterele nu devin o pi edică. Riderii pot să rămână în siguranță, verificând legile locale,
luând măsuri de precauție, cum ar fi căștile, și conștientizând împrejurimile în timpul călătoriilor.[1]
În ultimii ani, dezvoltarea vehiculelor electrice, inclusiv trotinetele, bicicletele, motocicletele și
mașinile, devin din ce în ce mai atente, iar vânzările se preconizează să crească an de an pe piață.
Avand in vedere nesiguranta pe care o prezinta un scooter motorizat cu turbojet, acesta nu va fi prezent
niciodata in pe stra zile oraselor dar acesta poate avea o influenta majora in industria de entertainment,
de exemplu poate fi folosit pe circuit la fel cum sunt inchiriate masinile de inalta performanta pentru
un track day.

1.1 OBIECTIVE

I. Dezvoltarea unei trotinete intr -o platforma pe care se poate asambla un turbojet.
II. Proiectarea unei structuri atat usoarea cat si rezistenta.
III. Incorporarea rezervorului de conbustibil si a celui de ulei in forma trotinetei.
IV. Studierea motoarelor turbojet si alegerea unui motor pentru a fi montat pe trotineta.

5
1.2 ISTORIC

 1915: Autoped își prezintă scuterul stand -up. Tragerea înapoi pe ghidon a dezactivat ambreiajul
și a aplicat frâna. Autoped a continuat producția până în 1921; Krupp din Germania a construit
autopedul sub licenț ă din 1919 până în 1922. [2]
 1986: Go -Ped introduce primele scutere de stand -up de pr oducție "Roadster" și "Sport"
 Mai 2001: Go -Ped introduce primul scuter electric stand -up complet, "Hoverboard".
 2004: Placile Evo introduc primul scuter cu o transmisie cu doua trepte, "2x".
 Noiembrie 2009: Go -ped lansează primul lor scooter cu motor propan, go -kart, "GSR Pro -Ped"
și "GSR Pro -Quad"
 2013 -2014: scutere electrice cu pliante electrice bazate pe baterii cu litiu și motoare cu butuc
perii devin disponibile.
 2018: sistemele de partajare a scuterelor fără docking se extind în orașele mari, în mare măsură
ca extinderea sistemel or de partajare a bicicletelor.

Fig 1 GoPed Roadster (stanga) [3], Autoped (dreapta) [4]
Trotinetele electrice au depășit, în general , scuterele cu motoare cu ardere interna în popularitate încă
din an ul 2000. [5 ]. Scuterele de înaltă performanță realizate pentru adulți seamănă cu penny -farthing
din secolul al XIX -lea, c u o roată mult mai mare în față . Autonomia variază în general de la 5 la 50 km
(3 până la 31 mi), iar viteza maximă este de aproxim ativ 30 km / h (19 mph). [1]

6
1.3 TIPURI

 Trotinere cu motor cu combustie
Viteza acestor scutere poate fi marita până la niveluri care nu pot fi atinse în cazul altor tipuri
de trotinete. Aceste scutere sunt de asemenea disponibile în diferite dimensiuni și greutăți în
funcție de rezervorul de gaz.
 Trotinete electrice
O trotineta electrica este un autovehicul cu capacitate de o singură persoană. De obicei,
utilizează un motor electric DC pentru f uncționarea sa. Poate avea trei roți sau patru și, de
asemenea, nu creează poluare.
 Scuter de mobilitate
Aceasta este o versiune modificată a scuterelor electrice și este făcută pentru persoane
speciale, cum ar fi persoanele cu handicap și persoanele în vâ rstă. Aceste scutere sunt extrem
de stabile, deoarece au mai mult de două roți. Unele au chiar patru roți.
 Trotinete pliabile
Acest tip de trotinete este făcut ca sa ocupe putin spațiul de depozitare, să fie mic și ușor de
transportat dintr -un loc în alt l oc. Utilizeaza fie un motot electric, fie puterea uman ă.
 Scuter/ trotinete utilitar e
Scuterele utilitare sunt folosite pentru o gamă largă de scopuri. Acest a varietate servește mai
multor scopu ri, unul dintre ele este ajutarea politistilor pt patrularea locurilor interioare unde
bicicletele nu sunt premise, cum ar fii molurile sau statiile de metrou.
 Scuter Retro
Bazat pe modificarea de la scuter clasic ca Vespa. Se referă la cât de mult un design aderă la
Vespa originală.
 Scuterul chopper
Multe scutere disponibile vin în caroseria care se sprijină pe un cadru tubular. Din acest motiv,
este relativ ușor să modificați și să dați aspectul micilor motociclete de tip chopper . Din cauza
aspectului lor, se numesc scutere chopper.

1.4 UTILIZARI

Scoaterele motorizate sunt folosite în aplicarea legii, în patrularea agentilor de securitate [6] și în
timpul liber. Sistemele de partajare noi au făcut scuterele electrice ușor accesibile. Sunt populare în
zonele urbane și sunt folosite ca o alternativă la ciclism sau mers pe jos. Companiile de partajare a
zborurilor au început să renunțe la aceste scutere în marile orașe din SUA în 2018, iar nevoia de a avea
acces la transportul pe distanțe scurte, în multe orașe, a devenit din ce în ce mai populară cu tot mai
multe companii care doresc să se alăture pieței.

7

Fig. 2 Ofiter NYPD patruland pe un scooter electric cu 3 roti. [6]

1.5 LEGALITATE

Conform legii si conform datelor oficiale transmise de Serviciul Rutier din cadrul IGPR, trotinetele se
impart in doua categorii: cele propulsate cu ajutorul unui motor si cele propulsate prin forta musculara.
In ultimii ani, trotinetele motorizate au devenit extrem de populare, zeci de mii fiind vandute in toata
tara.
Codul Rutier spune la art. 6 pct. 21 din OUG 195/2002 privind circulatia pe drumurile publice
ca mopedul este definit ca fiind autovehiculul, cu doua sau trei roti, a carui viteza maxima prin
constructie este mai mare de 25 km/h, dar nu depaseste 45 km/h si care este echipat cu un motor cu
ardere interna, cu aprinder e prin scanteie, cu o capacitate cilindrica ce nu depaseste 50 cmc sau cu un
alt motor cu ardere interna ori, dupa caz, electric , a carui putere nominala continua maxima nu
depaseste 4 kW, iar masa proprie a vehiculului nu depaseste 350 kg, neincluzand mas a bateriilor in
cazul vehiculului electric.
Acest fapt ii include cam pe toti cumparatorii de trotinete motorizate , indiferent de marca, deoarece
toate reusesc sa atinga viteze mai mari de 25 km/h, unele reusind chiar si viteze de 35 -40 km/h din
fabrica. P utine sunt cele care ating maximum 25 km/h, majoritatea dorind performanta si autonomie,
doua trasaturi pe care le au trotinetele mai scumpe si, totodata, cele mai vandute.
"Potrivit art. 14 alin. (1) din Ordonanta de urgenta a Guvernului 195/2002 prevede ca tramvaiele,
troleibuzele, mopedele, masinile si utilajele autopropulsate utilizate in lucrari de constructii, agricole,
forestiere, tractoarele care nu se supun inmatricularii, precum si vehiculele cu tractiune animala se

8
inregistreaza de catre consilii le locale, care tin si evidenta acestora" spune Codul Rutier. Asta inseamna
ca mopedele, inclusiv trotinetele electrice care depasesc 25 km/h, necesita inmatriculare la Primarie, cu
numar galben.
Pentru a conduce o trotineta electrica in Romania pe drumuri publice este nevoie de permis valabil
categoria AM.
Necesitatile unei trotinete motorizate pentru a fii conforma cu legea:
a) instalatie de franare eficace;
b) sistem de avertizare sonora;
c) instalatie de evacuare a gazelor de ardere care sa respecte normele de p oluare fonica si
de protectie a mediului;
d) lumina de culoare alba in fata, respectiv lumina si dispozitiv fluorescent -reflectorizant
de culoare rosie in spate;
e) lumini de culoare galbena pentru semnalizarea schimbarii directiei de mers, in fata si in
spate;
f) placuta cu numarul de inregistrare, amplasata la partea din spate a mopedului fara a
obtura vizibilitatea sistemului de iluminare si semnalizare.

2. DESIGN

2.1 IMPLEMENTAREA CAD

Implementarea CAD a configurațiilor optimizate a fost realizată în Catia. CATIA (Computer Aided
Three -Dimensional Interactive Application) este o suită software comercială multiplatformă
CAD/CAM/CAE dezvoltată de compania franceză Dassault Systemes și comercializată în întrega lume
de IBM. Scrisă în limbajul de programare C++, CATIA e ste temelia suitei software a Dassault
Systemes. Software -ul a fost creat după 1970 și înainte de 1980 să ajute la dezvoltarea avionului de
luptă cu reacție Mirage, apoi a fost adoptat în industria aerospațială, auto, construcția de ambarcațiuni,
și multe alte industrii.
Procedura de implementare a modelelor este descrisă în manualul de instrucțiuni din Catia. Planul
corespunzător pentru proiectarea componentelor a fost ales mai întâi apoi desenele au fost făcute în
mediul sketcher. Ulterior, componenta a f ost fie făcuta solid folosind instrumentele din mediul de
proiectare a pieselor sau suprafețele atașate instrumente în mediul de proiectare a formei generative.
Unde sunt necesare seturi geometrice, cum ar fi coordonatele profilelor, acestea au fost import ate în
mediul Catia.

9
2.2 MOTORUL

Turbojetul este un motor cu jet de aer, care se folosește de obicei la aeronave. Motorul are urmatoarele
elemente compunente: o admisie de aer, un compresor, o cameră de combustie și o turbină (care
conduce compresorul). Aerul comprimat din compresor este încălzit de combustibilul din camera de
ardere și apoi este lăsat să se extindă prin turbină. Eșapamentul turbinei este apoi extins în duza de
propulsie unde este accelerată la o viteză ridicată pentru a asigura forța de tracțiune. Doi ingineri,
Frank Whittle în Regatul Unit și Hans von Ohain din Germania, au dezvoltat conceptul independent la
sfârșitul anilor 1930.
Turbojeturile au o efi ciență scăzută la viteze reduse, ceea ce le limitează utilitatea în alte vehicule decât
aeronave . Motoarele Turbojet au fost utilizate în cazuri izolate pentru a alimenta vehicule, altele decât
aeronavele, de obicei pentru tentativele de înregistrare a recordurilor de viteza la sol. În cazul acestor
vehicule motoarele folosite sunt motoare Turboshaft, un tip de durboreactor unde turbine este
conectata la un redactor. Acestea sunt folosite in principal pentru elicoptere . In aviatia civila,
turbojeturile au f ost folosite pe Concorde și pe TU -144, care trebuiau să petreacă o lungă perioadă la
viteze supersonic e. Turbojeturile sunt pentru rachetele de croazieră cu rază medie de acțiune, datorită
vitezei lor mari de evacuare, ariei frontale mici și simplității re lative. De asemenea, sunt încă folosite
pe aeronave de lupta supersonice , cum ar fi MiG -25. Cele mai multe aeronave de lupta petrec puțin
timp călătorind supersonic și astfel folosesc motoare turbofan și postcombustia pentru a crește viteza
de evacuare pen tru sprinturile supersonice.
Motorul ales pentru acest proiect este motorul KJ66 dezvoltat de catre Kurt si Jesus Artes datorita
dimensiunilor mici, pretului scazut, simplitatii constructiei si usurinta asamblarii.

Fig 3 Motorul KJ66 [8]

10

Fig 4 Motorul KJ66 CAD
Acest design este o imbunatatire imensa fata de FD3 64, oferind o putere de 3 ori mai mare si la o
temperatura mult mai scazuta. Motorul poate fi construit în atelierul oricarui ingineri de modele.
Designul folosește un turbocompresor radial asa cum este intalnit in turbocompresoarele auto. [7]
Partea din față a motorului si compresorul este din aluminiu. Camera de combustie este din oțel
inoxidabil (UK 316 sau 310 spec) ansamblul NGV din spate și este fabricat din Inconel dacă este
necesară o dur ată de viață mai lungă. Tturbina utilizată este din Inconel 713, Arborele este din oțel
pentru scule. [7]
Specificatii
Diamertu 110 mm
Lungime 240 mm
Putere 75 Newtoni
Rotatii maxime 117000 rpm
Temperatura 570 C
Masa 0.93 Kg
[7]
2.3 SASIUL

Deoarece dimensiunea și puterea motorului reprezintă o selecție esențială a designului pentru
performanța generală a vehiculului și nu dorim să pierdem niciun fel de putere, greutatea totală a
vehiculului va fi crucială. Pentru a reduce greutatea totală a trotinetei , obiectivul va fi re alizat prin

11
proiectarea unui șasiu din oțel foarte ușor. Pentru a construi un șasiu ușor, va trebui să luăm în
considerare o serie de parametri diferiți, cum ar fi siguranța, stabilitatea statică și dinamică și
integritatea structurală. Materialul folosit în acest scuter este doua țeavi cu oțel galvanizat cu diametrul
de 10 mm aranjate in forma literei H pentru a oferi o stabilitate ridicata (Fig 5). Pe acest sasiu se va
aseza o placa de lemn cu grosimea de 20mm unde va fi as ezat utilizatorul vehiculului (Fig 6). Pe
aceasta place se monteaza suportul de montare al motorului realizat fie prin masinare dintr -un bloc de
aluminium fie prin sudare a placi de otel de 20mm grosime (Fig 7). Tot pe aceasta placa de lemn se va
monta rez ervorul de combustibil. Acesta se pozitioneaza sub placa intre cele doua tevi ale sasiului
(Fig. 8). Motorul se monteaza pe support cu ajutorul unui bracket “O” (Fig 9).

Fig 5 Sasiu

12

Fig 6 Placa sustinere

Fig 7 Suport motor

13

Fig 8 Rezervor combustibil

Fig 9 Prindere motor

14
2.4 SUSPENSIA

S-a ales suspensia telescopica pentru puntea de fata. Principalele avantaje ale furcii telescopice sunt: (i) este
simplu de conceput și relativ ieftin de fabricat și asamblat; (ii) este mai ușoară decât modelele mai vechi care
folosesc componente externe și sisteme de legare; Suspensia este folosita pentru a disipa energia cinetica
rezultata in urma unui soc.

2.5 FRANA

Principalele tipuri de frânare sunt frânele pe disc, frânele cu bandă, frânele cu tambur, frânele cu aer . Frână
este un aparat folosit pentru încetiniți sau opriți un vehicul în mișcare sau, odată ce vehiculul este oprit, pentru
al împiedica să se miște din nou. Se va utiliza o frana pe disc datorita simplitatii deoarece se poate adapta o
frana de bicicleta pentru a fii utilizata in acest proiect.

3. CALCULUL VITEZEI MAXIME TEORETICE

Atunci cand un corp se misca cu o viteza constanta avem un echilibru de forte. Forta care accelereaza corpul
este egala cu forta care decelereaza corpul. Fortele care decelereaza corpul sunt forta de frecare cu solul si
rezistenta opusa de aer. In acest caz vom neglija f recarea cu solul si vm lua in considerare doar frecarea cu
aerul.
Pentru a calcula rezistenta la inaintare avem nevoie de urmatoarele valori: densitatea aerului, care la nivelul
marii este 𝜌=1.25 𝑘𝑔/𝑚2, aria frontal proiectata a vehiculului A, coeficie ntul de rezistenta la inaintare c si
viteza corpului. Formula rezistentei la inaintare este data de formula 3.1.
𝐷=0.5∗𝑐∗𝜌∗𝐴∗𝑣2 3.1

Unde coeficientul de rezistenta poate avea valori de la 0.05 pentru un profil aerodynamic, 0.45 pentru o
masina pana la 2-2.1 pentru un corp rectangular. In cazul acesta se va folosi un coefficient de 0.9 deoarece
acesta este coeficientul de rezistenta al unui cyclist [9] iar aria frontal a unui cyclist este asemanatoare cu aria
frontal a unei personae pe o trotineta.
Ecuatia puterii este data de multiplicare a fortei si a vitezei. Forta de inaintare este egala cu forta de rezistenta
la inaintare si vom avea
𝑃=𝐹∗𝑣 3.2
𝐹=𝐷 3.3

15
𝑃=0.5∗𝑐∗𝜌∗𝐴∗𝑣3 3.4

Din ecuatia 3.4 se poate extrage expresia vitezei cum se poate observa in ecuatia 3.5
𝑣=√2∗𝑃
𝑐∗𝜌∗𝐴3
3.5
𝑃=75𝑊
𝑐=0.8
𝐴=0.51𝑚2
𝜌=1.25 𝑘𝑔/𝑚2 3.6
𝑣=√2∗75
0.8∗1.25∗0.513
=6.65𝑚
𝑠=23.94𝑘𝑚
ℎ 3.7

Viteza rezultata este foarte mica, acest lucru este datorat puterii mici a motorului. Daca s -ar folosi un
motor mai puternic viteza ar creste considerabil. De exemplu:
JetCat P220 -RXi 𝑃=220 𝑊 →𝑣=33 𝑘𝑚/ℎ
JetCat P550 PRO Turbine 𝑃=550 𝑊 →𝑣=45 𝑘𝑚/ℎ
AMT Lynx AMLXT1 𝑃=1570 𝑊 →𝑣=63 𝑘𝑚/ℎ

16
4. BIBLIOGRAFIE

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Motorized_scooter
[2] Wilson, Hugo (1995). "The A -Z of Motorcycles". The Encyclopedia of the Motorcycle .
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Motorized_scooter#/media/ File:Gsr40.jpg
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Autoped#/media/File:Autoped_1919_Ever_Ready_1.jpg
[5] https://www.wired.com/2016/01/electric -scooters -uscooter -future/
[6] https://www.nytimes.com/2010/10/24 /nyregion/24critic.html
[7] https://www.gtba.co.uk/engine_designs/kj66.htm
[8] https://www.cadcrowd .com/portfolio/large/7f09047487d334fa383e29a20c1338cd.jpg
[9] https://www.engineeringtoolbox.com/drag -coefficient -d_627.html