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Design of a city e-bike driving unit
- 1. Docente: Prof. Francesco Leali Studenti: Alessandro Mattei (101383) Michele Pagura (103822) Gabriele Popoli (97316) NicolΓ² Salgaro (103113) Laurea Magistrale in Ingegneria del Veicolo Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Progettazione di una Drive Unit per City e-Bikes
- 2. Fasi della Progettazione β’ Definizione del Problema β’ Conceptual Design β’ Embodiment Design β’ Processi produttivi e analisi dei Costi β’ Conclusioni Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017
- 3. Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Fasi della Progettazione β’ Definizione del Problema: analisi di mercato, normativa, benchmark, lista dei requisiti β’ Conceptual Design β’ Embodiment Design β’ Processi produttivi e analisi dei Costi β’ Conclusioni
- 4. Vantaggi delle e-Bikes: β’ Dimensioni ridotte β’ Economiche β’ Si guidano senza patente β’ Eco-friendly Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Definizione del Problema
- 5. In Europa: β’ 38% city e-bikes β’ 36% touring e-bikes β’ 19% mountain e-bikes β’ 7% altre tipologie Lβ80% di chi possiede una bici elettrica la utilizza quotidianamente, il restante 20% solo durante il tempo libero. In Italia, dal 2015 al 2016: +121.3% nelle vendite +40.5% nella produzione +135.3% nelle esportazioni Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Analisi del Mercato
- 6. Direttiva 2002/24 CE definisce le e-bikes come velocipedi Β«dotati di un motore ausiliario elettrico avente potenza nominale continua massima di 0.25 kW la cui alimentazione Γ¨ progressivamente ridotte e infine interrotta quando il veicolo raggiunge i 25 km/h o prima, se il ciclista smette di pedalareΒ» Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Normativa La normativa EN15194 dispone degli standard di valutazione per le biciclette a pedalata assistita in quanto appartenenti ad una tipologia di veicoli che Γ¨ esclusa dallβapprovazione di tipo ai sensi della Direttiva 2002/24 CE.
- 7. Tipologie di motori per e-bikes: β’ Motori sul mozzo anteriore β’ Motori sul mozzo posteriore β’ Motori centrali Principali unitΓ motrici attualmente proposte sul mercato: β’ Bosch drive unit β’ Brose drive unit Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Benchmark
- 8. Principali tipologie di trasmissione attualmente presenti sul mercato: β’ Rapporto fisso β’ Cambio a deragliatore β’ Rohloff SpeedHub β’ Shimano Alfine β’ NuVinci Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Benchmark
- 9. β’ INGOMBRI: dimensione assiale 180 mm, dimensione radiale 400 mm, peso 10 kg, versatilitΓ di montaggio β’ PRESTAZIONI: cambio CVT, assistenza fino a 25 km/h, partenza da fermo su pendenze del 10% β’ ENERGIA: output elettrico massimo di 250 W, utilizzo efficiente dellβenergia β’ SEGNALI: risposta del motore in funzione delle caratteristiche di marcia e percorso β’ MATERIALE: funzione delle caratteristiche di sollecitazione dei componenti e del target di peso e costo β’ SICUREZZA ED ERGONOMIA: sistema disattivabile manualmente, forma non spigolosa β’ FUNZIONAMENTO E MANUTENZIONE: buona affidabilitΓ e manutenzione semplice e rapida β’ FABBRICAZIONE: componenti prodotti internamente, motori elettrici acquistati Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Lista dei Requisiti
- 10. Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Fasi della Progettazione β’ Definizione del Problema β’ Conceptual Design: schema funzionale, matrice morfologica, valutazione delle soluzioni β’ Embodiment Design β’ Processi produttivi e analisi dei Costi β’ Conclusioni
- 11. Caratteristiche della drive unit proposta: β’ Inglobare le funzioni di assistenza alla pedalata e cambiata β’ Maggiore autonomia β’ VersatilitΓ e possibilitΓ di modifiche sulla scelta dei motori β’ Volume di produzione di circa 5000 unitΓ annue β’ Prezzo di vendita tra 1000 e 1500 euro Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Conceptual Design
- 12. Le sotto-funzioni identificate sono: β’ Trasmissione primaria β’ Power merging β’ CVT β’ Trasmissione finale 4TRASMISSIONE FINALE 4.1 trasmissione a catena 4.2 trasmissione a cinghia dentata 2POWERMERGING 2.1 presa diretta 2.2 epicicloidale 2.3 epicicloidale composto 3CVT 3.1 cinghia trapezoidale 3.2 epicicloidale 3.3 epicicloidale composto 1TRASMISSIONE PRIMARIA 1.1 cinghia dentata 1.2 rotismo ad uno stadio 1.3 rotismo a piΓΉ stadi 1.4 epicicloidale Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Schema Funzionale
- 13. soluzione 1 1.2 2.3 3.3 4.1 soluzione 2 1.3 2.1 3.3 4.1 πΆπΎπ½π = 0.15 β 7 + 0.25 β 6 + 0.2 β 6 + 0.05 β 8 + 0.25 β 8 + 0.1 β 7 = π. π Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Valutazione delle Soluzioni costo ingombri comfort manutenzione risparmio energetico gestione elettronica 3 soluzione 1 soluzione 2 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 104 5 6 7 8 9 πΆπΎπ½π = 0.15 β 8 + 0.25 β 9 + 0.2 β 8 + 0.05 β 8 + 0.25 β 7 + 0.1 β 6 = π. π
- 14. Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Fasi della Progettazione β’ Definizione del Problema β’ Conceptual Design β’ Embodiment Design: β’ Processi produttivi e analisi dei Costi β’ Conclusioni scelta dei motori, analisi cinetostatica, dimensionamento di ruote ed alberi, nozioni su altri componenti e sistemi ausiliari, assemblaggio, logica di funzionamento
- 15. Sono necessari due motori elettrici (DC brushless): β’ Il motore primario svolge la funzione di assistenza alla pedalata, fornisce la quantitΓ di coppia maggiore β’ Il motore secondario mette in rotazione il porta-satelliti del CVT per variare il rapporto di trasmissione; fornisce anche assistenza alla pedalata, ma in percentuale minore Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Scelta dei Motori
- 16. DATI DI POTENZA CICLISTA Condizione di sforzo elevato (stima per la partenza in salita) Regime di rotazione pedali n_ped_hi 25 rpm omega_ped_hi 2.617993878 rad/s Potenza sviluppata ai pedali P_ped_hi 52.35987756 W Coppia applicata ai pedali M_ped_hi 20 Nm Condizione di sforzo medio Regime di rotazione pedali n_ped_mid 70 rpm omega_ped_mid 7.330382858 rad/s Potenza sviluppata ai pedali P_ped_mid 100 W Coppia applicata ai pedali M_ped_mid 13.64185227 Nm Condizione di sforzo basso Regime di rotazione pedali n_ped_low 60 rpm omega_ped_low 6.283185307 rad/s Potenza sviluppata ai pedali P_ped_low 90 W Coppia applicata ai pedali M_ped_low 14.32394488 Nm DATI POTENZA NECESARIA ALLA RUOTA MOTRICE ALLE VARIE PERCORRENZE IN PIANO - ALLA PARTENZA V=0 (si trascurano azioni aerodinamiche) accelerazione alla partenza a_p 1 m/s^2 Forza verticale ruota anteriore fy_1_p_start 230.9581 N Forza longitudinale ruota anteriore fx_1_p_start -4.68956 N Forza verticale ruota motrice fy_2_p_start 651.9419 N Forza longitudinale ruota motrice fx_2_p_start 94.68956 N Momento motore necessario alla ruota M_piano_start 34.9199 Nm IN PIANO - MANTENIMENTO VELOCITA' MASSIMA 25 km/h Potenza necessaria alla ruota motrice P_p_vmax 173.9947 W Coppia necessaria mantenimento vmax M_p_vmax 8.27324 Nm VelocitΓ angolare ruota motrice omega_p_ruota_max 21.03102 rad/s IN SALITA - ALLA PARTENZA V=0 accelerazione alla partenza a_s 0.5 m/s^2 Forza verticale ruota anteriore fy_1_s_start 173.9137 N Forza longitudinale ruota anteriore fx_1_s_start -3.22961 N Forza verticale ruota motrice fy_2_s_start 704.6047 N Forza longitudinale ruota motrice fx_2_s_start 136.0814 N Momento motore necessario alla ruota M_salita_start 48.65397 Nm IN SALITA - MANTENIMENTO DI UNA VELOCITA' FISSA A 8 km/h Potenza necessaria alla ruota motrice P_s_vmaxs 223.695 W Coppia necessaria mantenimento velocitΓ M_s_vmaxs 33.23885 Nm VelocitΓ angolare ruota motrice omega_s_ruota_max 6.729928 rad/s Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Analisi Cinetostatica
- 17. 1 Definizione dei rapporti di trasmissione: π π‘ππ‘ π = π πππ π π1 = 70 2500 = 1 35.71 Β± 5% π1Β°π π‘ π π2Β°π π‘ π = 1 5 β 1 7 = 1 35 π π΄π = π ππ ππ‘ 1 β π0 πππ + π π΄π π0 πππ π0 πππ = π1Β°π π‘ πππ β 0.92 Trasmissione primaria: β’ Interasse tra albero pedali e albero motore primario = 161.25 mm β’ Interasse tra albero pedali e albero intermedio = 90 mm β’ Ingombro radiale della trasmissione = 174.375 mm Rotismo epicicloidale composto: β’ Interasse tra albero pedali e albero satelliti = 43.125 mm β’ Ingombro radiale della trasmissione = 66.875 mm π§ π ππ1 β π§ π ππ‘2 + π§ π ππ2 β π§ π ππ‘1 π = π΄1 β π§ π ππ‘2 + π΄2 β π§ π ππ‘1 Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Calcolo delle Ruote Dentate 2 Parametri dimensionali delle ruote: Trasmissione Primaria Rotismo Epicicloidale
- 18. ππππππ π‘πππ πππ π π [π] = ]πππ‘πππ§π π‘πππ πππ π π ππππβ² πππππππππππ [π ]π£ππππππ‘Γ πππππππ π π’π ππ’ππ‘π ππ ππππ‘ππ‘π‘π πππ ππ ππ’ππ‘π [ π π Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Calcolo delle Ruote Dentate 3 Calcolo dei carichi trasmessi tra gli ingranaggi: Si considera la condizione di marcia piΓΉ critica, ovvero la partenza da fermo su una salita della pendenza massima prevista
- 19. Calcolo delle tensioni agenti e delle tensioni di contatto su ogni ingranaggio tramite: π = π π‘ πΎπ πΎπ£ πΎπ 1 ππ πΎ π» πΎ π΅ ππ½ ππ = π πΈ π π‘ πΎπ πΎπ£ πΎπ πΎ π» π π1 π π π ππΌ π πππ = π πΉπ π πΉ ππ ππ ππ ππ,πππ = π π»π π π» π π π π ππ ππ Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Calcolo delle Ruote Dentate 4 Dimensionamento a flessione e a pressione di contatto secondo il metodo AGMA 2001-D04: Da confrontare con i rispettivi valori di tensione ammissibile del materiale usato, ovvero un acciaio 18NiCrMo5 di grado 2 con ΟHP = 1550 MPa e ΟFP = 448 Mpa, dati da:
- 20. 1 Definire il layout preliminare degli alberi utile a determinare le posizioni assiali di cuscinetti e ruote dentate 2 Diagrammi di corpo libero e delle azioni interne, definizione delle sezioni critiche 3 Verifica a fatica delle sezioni critiche con il metodo di Goodmann ππ = π π π π π π π π π π π π’π‘ 2 π π = π π 2 + 3π π 2 = 32πΎπ π π ππ3 2 + 3 16πΎππ π π ππ3 2 1 2 π π = π π 2 + 3π π 2 = 32πΎπ π π ππ3 2 + 3 16πΎππ ππ ππ3 2 1 2 1 π π = π π β² ππ + π π β² π π’π‘ π π¦ = π π¦ π π β² + π π β² Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Calcolo degli Alberi Limite di fatica del materiale Componenti di tensione media Οm e alterna Οa di Von Mises agenti sulle sezioni Coefficienti di sicurezza a fatica e a snervamento
- 21. Albero dei pedali Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Calcolo degli Alberi
- 22. Albero di uscita Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Calcolo degli Alberi
- 23. β’ Definizione dellβinvolucro esterno β’ Il rapporto di trasmissione finale Γ¨ un compromesso tra fruibilitΓ della bicicletta oltre i 25 km/h e coppia richiesta alla ruota posteriore. Viene scelto un rapporto finale di 2.5, cosΓ¬ che il rapporto globale in power off Γ¨ dato da: β’ Trasmissione secondaria definita in base alla dimensione minima permessa, dovuta alla presenza del rotismo epicicloidale. Con un rapporto di trasmissione di 1/5 si ottiene la coppia richiesta facendo contro-ruotare il motore secondario a 350 rpm ππ΄π = π π1 π π‘ππ‘ π + ππ’π ππ π π΄π + π π2 π π2 /π π΄π = 122.54 ππ πππ’ππ‘π = ππ΄π π ππππππ = 122.54 ππ β 2.5 = 49.02 ππ > 48.65 ππ π πππππππ = π0 πππ β π ππππππ β 2.10 Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Altri Componenti e Sistemi Ausiliari
- 24. β’ Scelta dei cuscinetti β’ Scelta delle linguette β’ Scelta degli anelli elastici πΆ10 = π π π’πππππ‘π πΏ 106 π₯0 + π β π₯0 1 β π π· 1 π 1 π πΉ = ππππππ π‘πππ πππ π π ππππππ πππππ π ππ§ππππ π = π π¦ π = π π¦ πΉ βπ 2 Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Altri Componenti e Sistemi Ausiliari
- 25. Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Assemblaggio del Sistema 1 2 3 4
- 26. β’ Sensore di coppia, rileva la forza applicata sui pedali β’ Sensore di velocitΓ di avanzamento β’ Sensore di pendenza della strada percorsa Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Logica di Funzionamento
- 27. Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Fasi della Progettazione β’ Definizione del Problema β’ Conceptual Design β’ Embodiment Design β’ Processi produttivi e analisi dei Costi β’ Conclusioni
- 28. β’ Carter in alluminio pressofuso β’ Alberi in C30 lavorato alle macchine utensili e bonificato β’ Ruote dentate in 18NiCrMo5 ottenute tramite creatore o stozzatura β’ Freno, ghiera e supporto intermedio in alluminio lavorato alle macchine utensili Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Processi Produttivi
- 29. β’ Materiale per pressofusione: alluminio 5.65 β¬/kg per 2.7e-3 m^3, costo 41.19 β¬ β’ Costo dei grezzi: alluminio per freno, ghiera, supporto intermedio: 2.56 β¬; acciaio per alberi 5.58 β¬ e ruote dentate 14.63 β¬ β’ Costi della lavorazione: operatore 20 β¬/h, macchina utensile 60 β¬/h, tempo complessivo di lavorazione 5h 30m, 440 β¬ β’ Acquisto componenti esterni: cuscinetti, anelli seeger, linguette, bulloneria Costo finale stimato: 556 β¬ Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Analisi dei Costi
- 30. Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Fasi della Progettazione β’ Definizione del Problema β’ Conceptual Design β’ Embodiment Design β’ Processi produttivi e analisi dei Costi β’ Conclusioni
- 31. Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Conclusioni β’ INGOMBRI: dimensione assiale 127 mm, dimensione radiale 320 mm, peso 8.2 kg, versatilitΓ di montaggio β’ PRESTAZIONI: cambio CVT, assistenza fino a 25 km/h, partenza da fermo su pendenze del 10% β’ ENERGIA: output elettrico massimo di 250 W, utilizzo efficiente dellβenergia β’ SEGNALI: risposta del motore in funzione delle caratteristiche di marcia e percorso β’ MATERIALE: funzione delle caratteristiche di sollecitazione dei componenti e del target di peso e costo β’ SICUREZZA ED ERGONOMIA: sistema disattivabile manualmente, forma non spigolosa β’ FUNZIONAMENTO E MANUTENZIONE: buona affidabilitΓ e manutenzione semplice e rapida β’ FABBRICAZIONE: componenti prodotti internamente, motori elettrici acquistati
- 32. Corso di Metodi di Progettazione Anno Accademico 2016/2017 Grazie per lβattenzione