NÁVRH VOLANTU ZÁVODNÍHO VOZU KATEGORIE FORMULA STUDENT SVOČ FST 2017

Transkript

1 NÁVRH VOLANTU ZÁVODNÍHO VOZU KATEGORIE FORMULA STUDENT SVOČ FST 2017 Stanislav Vrba, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Česká republika ABSTRAKT Práce se zabývá návrhem volantu pro závodní vůz kategorie Formula Student. V práci jsou nejprve specifikovány požadavky na návrh. Následně práce řeší konstrukci volantu a technologii výroby, včetně přidružených přípravků. Pevnostní a tuhostní vlastnosti konstrukce jsou ověřeny za pomoci numerických simulací na principu metody konečných prvků. Pozornost je rovněž věnována řešení ergonomie systému řízení od otisků dlaní řidičů až po pokročilé ergonomické analýzy. KLÍČOVÁ SLOVA volant, Formula student, kompozit, MKP ÚVOD Práce se zabývá návrhem volantu pro závodní vůz kategorie Formula Student. Formule student je mezinárodní soutěž univerzitních týmů organizovaná asociací SAE. Podstatou soutěže je navrhnout a postavit vůz pro okruhové závody. Se kterým se tým zůčastní závodních podniků po celé Evropě. Každá zkonstruovaná komponenta je hodnocena rozhodčími jednak z konstrukčního hlediska, ale také například ekonomického. Volant byl navržen pro použití ve voze UWB04. REŠERŠE Prvním krokem návrhu byla rešerše. Rešerše se týkala volantu vozu UWB03, ale také vozů týmů ostatních univerzit. Obrázek 1: Volant vozu UWB03 Volant UWB03 byl zhotoven pomocí technologie laminace prepregových tkanin. Laminát tvoří 8 vrstev u předního dílu a 10 vrstev u zadního dílu. Jednotlivé vrstvy jsou tvořeny tkaninou o gramáži 200g/m 2. Konstrukčně byl řešen jako laminovaná skořepina ze dvou polovin. Obsahuje 4 tlačítka. Další dvě jsou použity v mechanismu řazení. Pro připojení rychlospojky byla do volantu vlepena výztuha z hliníkové slitiny. SPECIFIKACE POŽADAVKŮ Základní požadavky stanovila pravidla pro sezonu Díky poznatkům z rešerše bylo možné stanovit další požadavky na konstrukci. Tyto poznatky byly doplněny o postřehy řidičů. Dále požadavky na zástavbu elektroinstalace, ergonomické požadavky atd Rovněž byly stanoveny zátěžné stavy a z toho vycházející požadavky na pevnost. Síly působící na volant byly stanoveny pomocí analytické výpočtu z oblasti dynamiky. Moment byl stanoven na základě pokusu provedeným Stevem Foxem.

2 MATERIÁL Zvoleným materiálem byl uhlíkový laminát. Důvodem pro výběr byl zejména poměr váhy a mechanických vlastností. Obecně jde o kompozitní materiál. Kompozitní materiál složený z matrice a výztuže. Funkcí matrice je zejména přenos napětí na vyztužující fázi a zajištění soudržnosti laminátu. Účelem vyztužující fáze je přenos převážné části vnějšího namáhání. Jako materiál matrice byla použita epoxidová pryskyřice (konkrétně LG285/HG286). Vyztužující fáze je tvořena uhlíkovým vláknem. Technologie výroby Mezi zvažované technologie výroby patřila: Laminace prepregové tkaniny Laminace prosycené tkaniny a tupý spoj Laminace prosycené tkaniny a přeplátovaný spoj Pro nejlepší pevnostní vlastnosti byl zvolen postup laminace prosycené tkaniny s přeplátovaným spojem. Pro lepený spoj bylo zvoleno dvousložkové lepidlo Spabond 345. TVAR FUNKČNÍCH ČÁSTÍ Pro návrh byl omezujícím faktorem maximální zástavbový rozměr, daný pravidly. Pravidla stanovují, že volant v jakékoliv pozici nemůže přesahovat přes trubku rámu zvanou the front hoop. Zároveň musí poskytovat dostatek vnitřního prostoru pro zástavbu prvků elektroniky. Návrh byl proveden v prostředí Siemens NX, pomocí modulu Surface. Ergonomie Pro pohodlné užívání byl zásadní návrh vnějšího tvaru částí, které řidič svírá v rukou. Jelikož je vůz vybaven velmi strmým řízením bez posilovače, je potřeba pro jeho ovládání potřeba vyvodit značné síly, aby bylo pro řidiče komfortní tyto síly vyvodit je důležité dobré provedení ergonomie. Pro její dosažení byl proveden otisk rukou řidičů. Celkem byly zhotoveny 4 otisky, ze kterých byl ostatními řidiči vybrán jeden. Ten byl pomocí 3D scanu oscanován a posloužil jako podklad pro tvorbu modelu. Obrázek 2: Otisk dlaní a jeho 3D scan Po vytvoření modelu byla pomocí 3D tisku polovina vytištěna pomocí 3D tisku, kterou si mohli řidiči osahat a vyzkoušet. Ergonomie byla dále ověřena pomocí modulu Human modeling v Siemens NX Připojení Připojení volantu k tyči řízení také podléhá pravidlům. Například musí být řidič schopen opustit vůz (včetně zapnutých pásů a připnutého volantu) do 5 vteřin. I pro splnění tohoto pravidla byla použita rychlospojka od firmy Sparco. Konkrétní model byl vybrán na základě zkušeností týmu z minulých sezon. Pro její připevnění byla do skořepiny vlepena výztuha z hliníkové slitiny. Výztuha má několik úloh. Zejména roznáší napětí od šroubů připevňujících rychlospojku k volantu. Zároveň řeší problém s výrobou závitu pro zmíněné šrouby. Pokud by měl být závit vyroben do kompozitu bylo by nutné vlepit do skořepiny závitovou vložku.

3 Obrázek 3: Výztuha z hliníkové slitiny Elektroinstalace Hlavní komponentou elektroniky instalované ve volantu byla deska řídící jednotky. Pro její uložení byly připraveny podstavce, zhotovené pomocí 3D tisku. K řídící jednotce byl připraven průchod kabelu sběrnice. Nadále bylo připraveno uložení tlačítek a otočných ovladačů. Rozmístění tlačítek bylo navrženo na základě značek viditelných na Obr. 2. Jednou z výhod použití samostatné řídící jednotky ve volantu je možnost změny rozložení tlačítek podle preferencí aktuálního řidiče. Obrázek 4: Uložení desky řídící jednotky Střední část Pro přístup ke všem vnitřním komponentům byl zřízen přístup do střední části. Otvor o rozměrech 120x80 mm je kryt destičkou vyrobenou rovněž z uhlíkového kompozitu, která je pro usnadnění přístupu připevněna pomocí šroubů. Řazení Vůz je vybaven pneumaticky ovládanou sekvenční převodovkou. Úlohou systému řazení je získat informaci o zařazení vyššího či nižšího rychlostního stupně a poskytnout řidiči zpětnou odezvu. Bylo voleno mezi dvěma systémy: - Otočně uložené pádlo - Pružné pádlo Zejména pro minimální počet pohyblivých dílů bylo zvoleno použití pružného pádla. Pádla byla navržena jako kompozitní laminát. V jejich skladbě se objevuje i sklo, proto jde o tzv. hybridní laminát. Jejich tuhost byla oveřena pomocí MKP.

4 Obrázek 5: MKP výpočet pádel - posunutí TUHOSTNÍ VÝPOČET Zásadním krokem návrhu byl pevnostní výpočet. Vzhledem ke složitosti tvaru a skladby laminátu byl výpočet proveden pomoc numerické simulace na principu metody konečných prvků. Prvním krokem výpočtu byla příprava výpočtového modelu. V zájmu minimálního zjednodušení byly zachovány plochy tvořící přeplátovaný spoj. Tlačítka byla nahrazena rigidními růžicemi. Kryt střední části a další části nebyly do výpočtu zahrnuty z důvodu malé účasti na celkové tuhosti. Obrázek 6: Výpočtový model Následovala definice materiálů. Stejně jako ve skutečnosti, je i v prostředí výpočtu kompozitní materiál složen z matrice a výztuže. Matrice je izotropní materiál. V případě výztuže jde o materiál ortotropní. Z uvedených materiálů byly v preprocesoru vytvořeny tkaniny. Z tkanin pak byla definována skladba. Materiál E[MPa] G[MPa] ν[-] ρ[kg*m -3 ] EN AW , Pryskyřice LG285/HG , Tabulka 1: Mechanické hodnoty isotropních materiálů E1 [MPa] ν12 [-] 0,33 E2 [MPa] 8900 ν13 [-] 0,013 E3 [MPa] 8900 ν23 [-] 0,33 G12 [MPa] 8900 vf [%] 35 G13 [MPa] 8900 vf [%] 65 G23 [MPa] 8900 ρ [kg*m -3 ] Tabulka 2: Mechanické hodnoty uhlíkového vlákna Dalším krokem bylo zasíťování modelu. Jak bylo zmíněno, byl použit pokročilý způsob výpočtu. V praxi to znamená, že místo běžně používané 2D sítě s fyzikální vlastností celého laminátu byla vytvořena 3D síť, rozdělená podle

5 jednotlivých vrstev. Použití 3D sítě je náročnější na výpočetní výkon, protože na každý 2D element připadá počet 3D elementů odpovídající počtu vrstev. Na druhou stranu je výpočet pomocí 3D prvků výrazně blíže realitě. Zahrnuje například různý tvar a polohu jednotlivých vrstev, ale také přechody v místech, kde se mění počet vrstev. Použitá skladba (první dvě vrstvy jsou jen v místě zesílení): Uhlík KEPR 200g/m 2 Uhlík KEPR 200g/m 2 Uhlík KEPR 200g/m 2 Uhlík Bi-axial 200g/m 2 Uhlík UD 200g/m 2 Uhlík Bi-axial 200g/m 2 Uhlík KEPR 200g/m 2 Prvním krokem výpočtu byla příprava 2D sítě. Jednotlivé elementy byly zorientovány pomocí metody MCID. Skladba laminátu byla převedena prostřednictvím funkce Global Layup do preprocesoru. Následně byla přiřazena jednotlivým plochám. Zásadním krokem byla orientace jednotlivých vrstev. Rozdílně orientované vrstvy jsou přeurčeny k přenosu napětí rozdílného směru. Orientace byla provedena pomoci funkce Draping. Funkce na základě zvoleného druhu tkaniny virtuálně pokryje vybrané plochy a podle deformace tkaniny zorientuje hlavní směry jednotlivých elementů. Obrázek 7: Orientace vláken tkaniny Následovalo vytvoření 3D sítě. Pomocí funkce Extrude Laminate bylo provedeno vysunutí laminátu a vytvoření přechodů. Na obrázku je viditelná rigidní růžice i barevně odlišené jednotlivé vrstvy. Obrázek 8: Detail rigidní růžice a vysunutí laminátu

6 Výztuha z hliníkové slitiny byla zasíťována pomocí 2D sítě. Výpočet pokračoval v prostředí simulace. Zde byly definovány jednotlivé zátěžné stavy. Vliv vlastní hmotnosti byl zanedbán, vzhledem k zanedbatelným účinkům oproti vnějších sil. Zátěžný stav Dopředné zrychlení Síla [N] Moment [N*m] Zatáčka s akcelerací 1,7*g 1667,7 400 Zatáčka s decelerací -2*g Zatáčka Rovinka s akcelerací 1,7*g 1667,7 0 Rovinka s decelerací -2*g Rovinka Zároveň byly pomocí Surface-to-Surface Gluing spojeny sítě polovin a také výztuhy. Spoje jsou viditelné na Obr. 9. Obrázek 9: Surface-to-surface Gluing Po výpočtu přišlo na řadu zhodnocení výsledků. Podrobně byly hodnoceny výsledky nejhoršího zátěžného stavu, tedy zatáčky s decelerací. Obrázek 10: MKP skořepiny - posunutí

7 Obrázek 10: MKP skořepiny napětí v první vrstvě směr 11 Pro indikaci porušení bylo použito kritérium maximálního napětí. Jde o neinteraktivní kritérium, které je však snadno a srozumitelně aplikovatelné. Obrázek 11: Diagram pro vyhodnocení pevnosti kritériem maximálního napětí Návrh použitých přípravků Pro výrobu bylo třeba navrhnout přípravky. Přípravkem pro výrobu laminátu je forma. Kvalita povrchu formy má zásadní vliv na kvalitu povrchu výrobku. Z tohoto důvodu byla pro výrobu formy zvolena hliníková slitina EN AW Forma byla zhotovena ze dvou dílů, přičemž spodní polovina byla opatřena rámečkem, který poslouží k výrobě přeplátování viz. Obr. 12. Obrázek 12: Forma spodní poloviny skořepiny s rámečkem

8 ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Volant byl řešen jako skořepina z uhlíkového laminátu vyrobená pomocí technologie laminace. Zadání bylo splněno s důrazem na řešení vycházející z praxe. Od tvaru ploch pro úchop vycházejícího z otisků rukou, přes zvolenou techniku laminace až po numerický výpočet. Výstupem je nejen návrh tvaru, ale výkresová dokumentace potřebná pro výrobu volantu včetně všech přípravků. K výstupu rovněž patří popis postupu výroby. Obrázek 13: fotorealistický render rozstřelu volantu PODĚKOVÁNÍ Poděkování za odborné vedení bakalářské práce patří doc.ing. Martinovi Hynkovi, Ph.D., Ing. Františkovi Sedláčkovi za cenné rady. Nadále kolegům z firmy CompoTech za praktické připomínky, zejména Ing. Vítkovi Šprdlíkovi a Petrovi Jíchovi.