NÁVRH VOLANTU ZÁVODNÍHO VOZU KATEGORIE FORMULA STUDENT SVOČ FST 2017

Podobné dokumenty
Okruhy otázek ke SZZ navazujícího magisterského studijního programu Strojní inženýrství, obor Konstrukce a výroba součástí z plastů a kompozitů

Externí engineering. Vývojová a konstrukční kancelář. Telefon:

Vývoj a pevnostní analýza nosné struktury typu monokok pro vůz kategorie Formula Student

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Kritéria porušení laminy

DIMENZOVÁNÍ PODVOZKU ŽELEZNIČNÍHO VOZU PRO VYSOKÉ KOLOVÉ ZATÍŽENÍ SVOČ FST_2018

ZESILOVÁNÍ A STATICKÉ ZAJIŠTĚNÍ KONSTRUKCÍ KOMPOZITNÍ MATERIÁLY

POČÍTAČOVÁ SIMULACE PLNĚNÍ DUTINY VSTŘIKOVACÍ FORMY SVOČ FST 2015

Koncepce vozu OBSAH DOKUMENTU

Únosnost kompozitních konstrukcí

KONSTRUKČNÍ NÁVRH RÁMU LISU CKW 630 SVOČ FST Bc. Martin Konvalinka, Jiráskova 745, Nýrsko Česká republika

Zkoušky těsnosti převodovek tramvajových vozidel (zkušební stand )

Posouzení a optimalizace nosného rámu studentské formule

Experimentální výzkum vlivu zesílení konstrukce valené klenby lepenou uhlíkovou výztuží

RUČNÍ OHÝBAČKA NA HÁKY OKAPOVÝCH ŽLABŮ SVOČ FST 2016

Okruhy otázek ke zkoušce

VYUŽITÍ PROGRAMŮ ANSYS A OPTISLANG V KONSTRUKCI VÝROBNÍCH STROJŮ

OPTIMALIZACE POHONNÉ JEDNOTY PRO VŮZ FORMULA STUDENT SVOČ FST 2018

KONSTRUKČNÍ NÁVRH HYDRAULICKÉHO LISOVACÍHO ZAŘÍZENÍ PRO VÝUKOVÉ ÚČELY SVOČ FST 20010

STUDENT CAR. Dílčí výpočtová zpráva. Univerzita Pardubice Dopravní fakulta Jana Pernera. Září 2008

MKP analýza konstrukčních řetězců ovinovacího balicího stroje FEM Analysis of Construction Parts of Wrapping Machine

Druh Jednosložková epoxidová pryskyřice s obsahem vytvrzovacího systému se zvýšenou lepivostí

ZÁVĚSNÝ SYSTÉM GTK ELEKTRONIC

Využití kompozitních materiálů v leteckém průmyslu

Určení hlavních geometrických, hmotnostních a tuhostních parametrů železničního vozu, přejezd vozu přes klíny

KARBONOVÉ PROFILY A PŘÍSLUŠENSTVÍ

Tříbodový závěs traktoru z nekovového materiálu

Optimalizace vláknového kompozitu

Výpočtová dokumentace pro montážní přípravek oběžného kola Peltonovy turbíny

Vzhled Pryskyřice má formu nažloutlé průhledné folie síly 0,1 0,7 mm (dle přání zákazníka), pružné a tvárné při pokojové či zvýšené teplotě.

Různé druhy spojů a spojovací součásti (rozebíratelné spoje)

SPOJE STROJE STR A ZAŘÍZENÍ OJE ČÁSTI A MECHANISMY STROJŮ STR

LETECKÉ MATERIÁLY. Úvod do předmětu

1 Počítačový program SPRINGBACK

Havel composites s.r.o. Svésedlice , Přáslavice Česká Republika. tel. (+420) fax (+420)

Výroba BMW i8. Obsah.

Porušování kompozitních tlakových

PENETRACE TENKÉ KOMPOZITNÍ DESKY OCELOVOU KULIČKOU

TESS 200 STÍNÍCÍ SYSTÉM S PŘEDEPNUTOU TEXTILIÍ BEZ VODÍTKA

Vláknové kompozitní materiály, jejich vlastnosti a výroba

NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ ZDIVA. 1. Současný stav problematiky

Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad. rok 2017/18 Dopravní a manipulační technika

Tomáš Raiskup Západočeská univerzita v Plzni Univerzitní 8, Plzeň Česká republika

Pevnost kompozitů obecné zatížení

Bc. Jan Stanek, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Česká republika

Navrhování betonových konstrukcí na účinky požáru. Ing. Jaroslav Langer, PhD Prof. Ing. Jaroslav Procházka, CSc.

PŘEPRACOVÁNÍ NORMÁLNĚ ROZCHODNÉHO STOPROCENTNĚ NÍZKOPODLAŽNÍHO, PLNĚ OTOČNÉHO PODVOZKU EVO NA ROZCHOD 1000mm SVOČ FST 2015

Vzhled Pryskyřice má formu zelené průsvitné folie síly 0,1 0,7 mm (dle přání zákazníka), pružné a tvárné při pokojové či zvýšené teplotě.

REGIONÁLNÍ TECHNOLOGICKÝ INSTITUT. Západočeská univerzita v Plzni Fakulta strojní

Zděné konstrukce podle ČSN EN : Jitka Vašková Ladislava Tožičková 1

Části a mechanismy strojů 1 KKS/CMS1

NÁVRH A VÝROBA PŘÍPRAVKU PRO MĚŘICÍ PŘÍSTROJ ALICONA IFM G4 SVOČ FST 2015

Výzkum a vývoj dřevostaveb na FAST VUT Brno

Posouzení stability svahu

DEFINITIVNÍ OSTĚNÍ PODZEMNÍCH STAVEB Z HLEDISKA BETONÁŘE

Pilotové základy úvod

Katedra materiálu.

Mechanika s Inventorem

Přípravek pro měření posuvů a deformací v průběhu svařování a chladnutí se zaměřením na využití pro numerické simulace.

VYZTUŽOVÁNÍ PORUCHOVÝCH OBLASTÍ ŽELEZOBETONOVÉ KONSTRUKCE: NÁVRH VYZTUŽENÍ ŽELEZOBETONOVÉHO VAZNÍKU S VELKÝM OTVOREM

SVOČ FST Bc. Michal Dufek. Hradec 181, Hradec, Česká republika

Mechanika s Inventorem

Ing. Stanislav Krmela, CSc.

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

Rozsah průmyslového výzkumu a vývoje Etapa 9 Systém kontroly povrchových vad

ZÁKLADNÍ PŘÍPADY NAMÁHÁNÍ

1. Úvod do pružnosti a pevnosti

NUMERICKÝ MODEL NESTACIONÁRNÍHO PŘENOSU TEPLA V PALIVOVÉ TYČI JADERNÉHO REAKTORU VVER 1000 SVOČ FST 2014

STUDIE VEDENÍ A VYPRUŽENÍ DVOJKOLÍ PŘÍPOJNÉHO ŽELEZNIČNÍHO VOZU SVOČ 2012

VYUŽITÍ SNÍMACÍCH SYSTÉMU V PRŮMYSLOVÉ AUTOMATIZACI SVOČ FST 2019

Co přináší nová norma ČSN EN 545? Moderní pohled na potrubní sítě z tvárné litiny

ZÁVĚSNÝ SYSTÉM GTN II

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA STROJNÍ

Tvorba výpočtového modelu MKP

TECHNICKÁ INFORMACE č. 02/2017,

DVOUPODLAŽNÍ ELEKTRICKÁ JEDNOTKA PRO PŘÍMESTSKOU DOPRAVU SVOČ FST 2016

TÉMATA PROJEKTŮ KME/PRJ3 VYPSANÁ PRO ZIMNÍ SEMESTR AK. R. 2016/17. Katedra mechaniky

Příklady spolupráce pracovníků Západočeské univerzity v Plzni s průmyslovými podniky jaderného strojírenství a energetiky

Kapitola vstupních parametrů

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

ZÁVĚSNÝ SYSTÉM GTS. Technické údaje

Článek VŠEOBECNÉ PŘEDPISY PRO TERÉNNÍ VOZY

Ing. Stanislav Krmela, CSc.

Ing. Jan BRANDA PRUŽNOST A PEVNOST

Aktuální trendy v oblasti modelování

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Filosofie konstruování a dimenzování mechanických částí vozidel z hlediska jejich funkce a provozního zatěžování

Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích. Institute of Technology And Business In České Budějovice

Předmět: Konstrukční cvičení - modelování součástí ve 3D. Téma 9: Modelování sestav 1

ODLUČOVAČ CHLADICÍ KAPALINY SVOČ FST 2018

K133 - BZKA Variantní návrh a posouzení betonového konstrukčního prvku

UPÍNACÍ DESKA KONÍKU SOUSTRUHU ŘADY SR SVOČ FST Bc. Milan Kušnír Západočeská univerzita v Plzni Univerzitní 8, Plzeň Česká republika

Využití sendvičové struktury pro stojanové těleso obráběcího stroje

VŠB- Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní Katedra pružnosti a pevnosti. Úvod do MKP Napěťová analýza modelu s vrubem

Snižování hlukové emise moderní automobilové převodovky

Pevnostní analýza plastového držáku

Měření specifické absorbované energie kompozitních materiálů

Mechanika s Inventorem

Statický výpočet požární odolnosti

Pevnost v tahu vláknový kompozit

Transkript:

NÁVRH VOLANTU ZÁVODNÍHO VOZU KATEGORIE FORMULA STUDENT SVOČ FST 2017 Stanislav Vrba, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 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 2016-2017. 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.

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.

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.

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 7075 72 000 27 067 0,33 2 850 Pryskyřice LG285/HG286 4 500 1 600 0,4 1 200 Tabulka 1: Mechanické hodnoty isotropních materiálů E1 [MPa] 163000 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 ] 1 512 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

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

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 2000 400 Zatáčka 0 0 400 Rovinka s akcelerací 1,7*g 1667,7 0 Rovinka s decelerací -2*g 2000 0 Rovinka 0 0 0 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

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 7075. 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

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.