Az els! magyar formula monocoque

M"anyagok alkalmazása

Az els! magyar formula monocoque Székely Béla* vezet! tervez!, Bruncsics Benjámin* gyártásvezet!, Kisillés Sándor* gyártásvezet! A Formula Student egy diákoknak kiírt nemzetközi konstrukciós verseny, a hangsúly f!ként az alkalmazott technikákon, technológiákon és a csapatfellépésen van. Csapatunk, a BME FORMULA RACING TEAM, 2012-ig cs!vázas autókat tervezett és épített a sorozatra, áttörést csupán a 2013-as jelentette, amikor Monocoque vázszerkezetes elektromos autóval jelent meg a team. A tervezést Székely Béla vezette, Kling Sándor a csapat, a versenyautó és a kompozit csoport munkáját irányította és emellett az anyagtörvényeket határozta meg. A gyártás Bruncsics Benjamin, Kisillés Sándor, Gönczi Ákos, Ódor Ádám és Salacz Illés vezetésével zajlott, mindössze 94 nap kellett a szerkezet elkészítéséhez, ez alatt a kompozit csoport 30 tagja, a 20 000 km szénszál mellett, összesen 6050 munkaórát teljesített. A projekt különlegessége, hogy ilyen szerkezet" formula kompozit versenyautó vázat Magyarországon els!nek mi készítettünk – magyar alapanyagból saját tervezéssel –, amellyel mind akadémiai, mind nemzetközi környezetben is számos sikert értünk el.

1. ábra. Az FREC-003 kódjel", els! magyar kompozit formula monocoque versenyautó

Bevezetés A monocoque szerkezet egy héjelemekb!l felépül! önhordó járm"váz-szerkezet, nevét a görög mono (egy) és a francia coque (héj) szavakból képezték, amely teljesen helyettesítheti a hagyományos cs!váz szerkezetet. A BUDAPESTI M#SZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM és Magyarország els! FORMULA STUDENT csapatának egyik legutóbbi fejlesztése a hazánkban egyedülálló szénszál er!sítés" kompozit járm"váz, amely azóta legsikeresebb versenyautónkba beépítve több ízben megmérettetett mind szakmai, mind versenykörülmények között. A monocoque héjszerkezet tervezését, gyártását, ezek anyagi hátterét – amelyre nem tér ki az írás – és a munkafolyamatok egészét egyetemi hallgatók koordinálták és végezték. A projekt 2010 !szén kezd!dött az egyetemen, amely összesen 15 diákot érintett 3 év alatt, kisebb-nagyobb *BME

részfeladatként. Az így megszerzett tudást 2012 !szén csatasorba állítva készült el az FREC-003 monocoque terve (1. ábra), amelynek megtervezése pár hónap alatt kb. 3000 munkaórát követelt. A gyártás hasonló intenzitással zajlott: mindössze 94 nap kellett a szerkezet elkészítéséhez, ezalatt a kompozit csoport 30 tagja, a 20 000 km szénszál mellett, összesen 6050 munkaórát fektetett be. A FORMULA STUDENT Európa legelismertebb konstrukt!ri versenysorozata, amelyben egyetemi és f!iskolai hallgatókból álló csapatok versenyautó építésben és tervezésben mérik össze tudásukat. A versenyt nyolc országban rendezik, olyan helyszíneken, mint Silverstone, Hockenheim, Fiorano, illetve Gy!r-Göny" Kiköt!. Az egyes versenyek mögött az ipar olyan kulcsfontosságú vállalatai és szakemberei állnak, mint pl. a SHELL vagy Ross Brawn, az egykori Forma 1-es csapatf!nök. A verseny célja, hogy inspirálja a résztvev!ket és vállalkozó szellem", innovatív fiatal mérnököket képezzen. A versenyhét végén a mérnökök felkészültségét teszik próbára, ahol be kell mutatniuk az autók m"szaki megoldásait, költségtervét és az üzleti modellt. Ezt követ!en a csapatok a dinamikus számokban is összemérik erejüket, ahol már az autó menettulajdonságai kerülnek a figyelem középpontjába. Csapatunk a BME FORMULA RACING TEAM, melyet 2007-ben m"egyetemi hallgatók alapítottak, hogy részt vehessenek a FORMULA STUDENT sorozatban, hagyományt teremtve ezzel nem csak az egyetemen, hanem Magyarországon is. Fennállásunk során 9 autót (5 benzines és 4 elektromos meghajtásút) építettünk, ezek közül a legutóbbiban több éves fejlesztés után megvalósult a szénszál-er!sítés", héjszerkezet" járm"váz (2. ábra). A váz egy gépelem, a járm" azon része, amely az al-

Formula Racing Team

2014. 51. évfolyam 12. szám

447

M"anyagok alkalmazása dekében, azonban manapság önhordó vázakat készítenek. Az önhordó váz egy egységet alkot, nem létezik külön alváz, ezáltal kisebb össztömeg érhet! el, ami a járm" mozgatásához szükséges energiafelhasználás szempontjából el!nyös. A szerkezet torziós merevsége szintén javítható ezzel a kialakítással (3. ábra).

katrészek összekapcsolását teszi lehet!vé. Ehhez kapcsolódik a vezet!fülke, a motor, az energiatároló rendszer, a hajtásrendszer, a futóm", a karosszériaelemek és számos más egység. Pontos kialakítása a teljes járm" helyes felépítését és m"ködését befolyásolja. A váz konstrukciójának kialakítása során számos további szempont is fontos szerepet játszik. Az alkatrészeket nem elég rögzíteni, többségüknek megfelel! pozícióban kell állnia a helyes m"ködés érdekében. Ez a vázra ható igen nagy üzemi er!k és nyomatékok miatt különösen nagy merevséget tesz szükségessé. A terhelések hatására fellép! deformációk minimalizálása ezen kívül a járm" irányíthatóságát is befolyásolja, és a tervezett járm"dinamikai tulajdonságok is csak egy igen merev vázszerkezet felhasználása mellett tekinthet!k minden esetben állandónak. Fel kell készülni arra is, hogy a vázra el!re nem láthatóan nagy er!k hatnak. Ilyen egy esetleges baleset vagy meghibásodás esetén fordulhat el!. A biztonság érdekében a méretezés során nem elég az üzemi terhelésre méretezni, biztonsági merevítésre is szükség van. Továbbá, megjelenik a méretezés kapcsán az el!állítás költségvonzata: törekedni kell a minimális anyagfelhasználásra, a lehet! legegyszer"bb és leggyorsabb gyárthatóságra. A váz egyes részei más-más funkciót töltenek be, ezért lehet!ség van arra, hogy funkciók alapján részelemekre bontsuk. Az ebb!l adódó többlettömeg kiküszöbölése ér-

Skeleton Az autó felépítésének komplexitása miatt, egy teljesen parametrikus rendszert használtunk az egyes tervezési fázisok megfelel! kezelése és gyors változtathatósága érdekében. A modell alapját az ún. skeleton modell képzi, amely 3 lépcs!b!l épül fel a különböz! tervezési fázisok szétválasztásához és függetlenítéséhez. Az els! lépcs! azt az irányvonalat követi, amely szerint a járm" a futófelülett!l kezd!dik, azaz a talajtól. A modell alapsíkja tehát a talaj síkja, majd ezután a járm" felé haladva következnek a járm" legfontosabb tulajdonságait meghatározó elemek: a kerekek. Az els! szint tehát tartalmazza a talajhoz mért alapsíkokat (többek között a váz legalját képez! síkot), illetve a kerekek méreteit és pozícióit (kerékátmér!, nyomtáv, tengelytáv). Második lépcs!ben a kerekekt!l az autó felé haladva a következ! legfontosabb szint a futóm" tulajdonságainak meghatározása. Ezen a szinten tehát megtalálhatók a tengelycsonk állvány 3 legfontosabb pontja, illetve a kett!s leng!karok térbeli forgástengelyei. A kett!s leng!karú futóm"vek alapvet! tulajdonságainak meghatározásához elegend!ek a tengelycsonk állvány pontjai és a leng!karok forgástengelyei. A futóm"modell viselkedését leíró és modellez! geometriai vonatkozású elemek helyeit az el!bb említett információkból szerkesztéssel kapjuk, melynek módját a 4. ábrán láthatjuk. Ennek részletezésére cikkünkben nem térünk ki. Harmadik lépcs!ben a futóm" fel!l haladva az autó felé következik a váz és a vázhoz való csatlakozási pontok meghatározása. Ezen a szinten találhatók a leng!ka-

3. ábra. A héjszerkezetre csatlakozó futóm"bekötések

4. ábra. Végleges geometriai kialakítás, metszet

2. ábra. A monocoque vázszerkezet elhelyezkedése a versenyautóban

448


rok forgástengelyein felvett leng!kar végz!dések és csuklók, a rugó és a himbarendszer pontjai és tengelyei, a stabilizátor referenciapontjai és tengelyei, valamint az el!zetes megfontolások miatt a pedál legalapvet!bb méretei és referenciái. A harmadik lépcs! után következik a koncepcionális tervezési szakasz utolsó szintje, ahol a fent említett referenciákhoz egy minimális információt tartalmazó, egyszer" geometriájú felületet rendelünk hozzá, továbbá egy elektromos járm" üzemeltetéséhez és az autó hajtásához szükséges alkatrészeket is definiáljuk, mint pl. –$hajtásrendszer (féltengelyek, lánckerekek), –$motorrendszer (vezérlés, h"tés, motorok), –$energiaellátás (akkumulátor ház), –$elektronika (további vezérlések, GPS, adatfeldolgozó- és közvetít! rendszerek). Efelett már részlettervezés és részletkidolgozás következik. A váztervezéshez szükséges információkat ezen a legutolsó szinten definiáljuk, így a modellfelépítés következ! eleme maga a váz, amely egyfajta hibrid eleme a skeleton felépítménynek, mivel ett!l kezdve minden további információ részletkérdés a váztervezés szempontjából, de ugyanakkor minden további részegység és alkatrész ehhez az elemhez kapcsolódik, így a váz modellje félig skeleton-szint", félig pedig alkatrész kidolgozás szint" elem. A versenyszabályzat nem tartalmaz megkötéseket a vázgeometriára a bukókeretek és azok támasztékaitól eltekintve, ezért alakját, a pilóta helyzetét, az egységek ergonómiailag kedvez! elhelyezkedését, az aerodinamikai jóságot és esztétikai szempontokat figyelembe véve alakítottuk ki. Formájához számos elvet, konkurens konstrukciókat és az aranymetszés szabályait is alapul vettük, de mintául szolgált az F-15-ös vadászrepül!gép törzsének kialakítása is.

bináció más-más mechanikai terhelést bír, ezért az egyes kombinációkra külön meg kell határozni az anyagtulajdonságokat. A tulajdonságokat 2012-ben határoztuk meg Kling Sándor vezetésével. A próbatestek gyártásánál különösen fontos volt az alapanyagok mellett az, hogy a segédanyagok, illetve a technológia további elemei is megegyezzenek a végleges termékével. A szabványos mérésekre a POLIMERTECHNIKA TANSZÉK laboratóriumában került sor. Az eredmények kiértékelése után exportáltuk azokat a végeselemes szoftverbe. A versenyszabályzat kimondja, hogy a kompozit váz építéséhez a versenybírák által elfogadott el!zetes dokumentáció szükséges. A vizsgálatok azt hivatottak alátámasztani, hogy a szerkezet valószín"tlenül nagy terhelés esetén (karambol, idegen test a pályán) is meg tudja védeni a pilótát a sérülést!l. Ezt a szabályzat alapján három vizsgálat során kell ellen!riznünk (5. ábra).

Anyagtörvény – Biztonsági validációs mérések A héj kétféle szerkezetb!l épül fel: tömör laminált részekb!l és szendvicsszerkezetb!l. Az utóbbit a karosszéria felületének nagy része mentén, míg tömör héjrészt, néhány szilárdságilag nem kritikus terület mellett, a kialakított zónákban alkalmaztunk, a számított terhelést!l függ! vastagságban. A laminált rétegek vizsgálata adja az alapját a bel!le készül! szilárdsági próbatestek további vizsgálatainak, ezért ezt kellett el!ször elvégezni. Száler!sítés" kompozitok esetében nehezebb dolgunk van a próbatestek szilárdsági tulajdonságainak mérésénél, mint szabványos és garantált min!ség" acélok esetén. Ezek az anyagok er!sít!szál és mátrix kombinációjaként állnak el!, amelyek pontos aránya csak gondosan ellen!rzött körülmények között reprodukálható. Minden er!sít!anyag-mátrix kom-

Ezek közül egyik pl. az övbekötési pontokat vizsgálja, mely szerint a pilóta ölében és a vállánál 13 kN terhelést kell kibírniuk. A terhelést a valóságnak megfelel!en, a héjrészre csavarozott konzolra f"zött biztonsági övnek kell átadnia. A vizsgálatot a héjrésszel párhuzamosan és arra mer!legesen is el kell végezni. A szilárdsági szimulációkat és a mérési eredményeket összehasonlítva azok 99,7%-os egyezést mutattak. Ez rendkívül jónak mondható, a vártnál, azaz az 5%-os hibánál egy nagyságrenddel jobb. A rétegrend tervezésénél törekedtünk arra, hogy csak olyan irányokban legyenek er!sít! szálak, amelyekben szükséges, így csökkent a nem tehervisel! anyag az alkatrészekben, ami tömegcsökkenést eredményezett. A végeselemes analízis során, az irányfügg! viselkedés miatt, ortotróp anyagmodellt alkalmaztunk. A végesele-


5. ábra. Video-extenzométeres anyagvizsgálat szakítógépen

449

M"anyagok alkalmazása

Gyártás A CAD rendszerben megtervezett kompozit héjszerkezet két félb!l állítottuk el!. Ezeket két külön !smintaként készítettük el, illetve a felületmodellezéssel kialakított geometriát szilárd testté alakítottuk, megfelel! ráhagyásokkal. Az összeillesztett szeletekhez szerelési sorrendet határoztunk meg. Az !sminták anyagaként közepes s"r"ség" farostlemezt választottunk, ami igen jól megmunkálható, viszonylag olcsó, homogén szerkezete miatt kevéssé vetemedik. A tábla formájú rostlap elemeket a teljes darab elkészítéséhez additív eljárással, pozicionáló furatok segítségével egymásra építettük, majd poliészter gyantával egymáshoz ragasztottuk. A kötési id! leteltével azonnal megkezdtük az adott szint marását. A két !smintát két egymást követ! hétvégén, darabonként mintegy 30 óra alatt martuk ki a FLAAR COMPOSITES KFT. és a CAMILLEON KFT. segítségével. A futóm" és vázelemek csatlakozási csomópontjaihoz a csavarkötések helyeit utólagosan a NEZOZEN KFT. öttengelyes faipari maróján készítettük el. A késztermék szélét jelöl! görbét

szerkesztettünk az !smintára karct" segítségével, melynek nyomvonalát a szerszám és a késztermék is megörökölte (7. ábra). A végleges termékgeometria kialakítása után, az így kapott felület inverzeként negatív szerszámot állítottunk el!, amelynél gyárthatósági és esztétikai megfontolásból a vízszintes osztósíkra esett a választás. Üvegszál er!sítés", poliészter mátrixú kompozit szerszámokat használtunk, amelynél az !sminta felületére kézi laminálási technológiával hordtuk fel az üvegpaplan rétegeket. Mivel a két szerszámelem átfedésben illeszkedik egymáshoz, illeszt!peremet helyeztünk az alsó szerszámfélre. Az alámetszett szerkezet miatt szilikont választottunk, ami a termék eltávolítását lehet!vé tette a szerszám tönkretétele nélkül. Az így nyert rugalmas peremet a termékbontás során els!ként vettük ki a felületek közül. A vákuuminjektálási technológiát (VARTM) használtuk annak el!nyei miatt: jó rétegközi adhéziót és megfelel!en nagy szál-mátrix arány érhet! el vele, egységesebb anyagtulajdonságokat tudunk létrehozni, kell! tapasztalattal rendelkezünk és az ára megfizethet! volt számunkra. A teljes héjszerkezetet három lépésben hoztuk létre: el!ször a fels! héjelemet, azután az alsó héjelemet készítettük el, végül a két héjelemet egyesítettük. Az egyes héjelemek gyártása szintén három fázisban történt, amivel el tudtuk érni, hogy csak a szükséges helyeken alakítsunk ki szendvicsszerkezetet vagy tömör laminált részt, és a kétféle szerkezet átmenetében a lehet! legkevesebb mátrixanyag gy"ljön fel a technológia miatt. A 3D-s modellt kiterítettük a kétdimenziós síkra, majd ezt zónákra osztottuk a szoftverben a könnyebb kezelhet!ség érdekében. Az így kapott terítékeknek köszönhet!en, pontosan ki tudtuk vágni a rétegeket a szénszövetekb!l (8. ábra). A gyantatöbbletet szívócsonkokon keresztül beveze-

7. ábra. #sminta megmunkálás 5 tengelyes marógépen

8. ábra. Szénszövet rétegek

6. ábra. Összesen 56 különböz! zóna található a monocoqueban

mes modellt többlépcs!s iterációs folyamattal validáltuk a mérések segítségével, míg kielégít! pontosságot értünk el, majd az analízisekre, valamint az optimalizációra került sor (6. ábra).

450


tett vákuummal távolítottuk el a rendszerb!l. A vákuumzsákot mérete miatt nagy körültekintéssel kellett lezárnunk, és gondosan ügyeltünk arra, hogy nagy gy"r!déseket, füleket hagyjunk rajta, hogy a rendszer zsugorodása során illeszkedjen a termék bels! geometriájára. A héjszerkezetet nagyméret" ipari h!sugárzóval térhálósítottuk. A „szendvicsbe” a héjszerkezet tehervisel! részén zárt cellás PVC habot, míg a m"szerfalhoz és a kevésbé kritikus részekhez üvegbázisú, hexagonális cellákba formált „coremat” anyagot használtunk. Ezeket el!zetesen méretre vágtuk, a köztük maradó réseket, hézagokat pedig gittanyaggal töltöttük ki. Ezt 3 komponens alkotta: epoxi gyanta, tixotropizáló szer és térfogatnövel! mikroballonok. A legbels! héjat a küls! analógiájára készítettük el. A szerszámból csak az utolsó réteg térhálósodása után távolítottuk el a terméket, elkerülve a vetemedést az egyes munkafolyamatoknál. Az !smintába karcolt vonal mentén pontosan el tudtuk távolítani a termékr!l a ráhagyást, mert a jelöl!vonal jól kirajzolódott a terméken is. A ráhagyás eltávolítása után a két héjelem jól illeszkedett egymáshoz, a ragasztási hézagok jól adódtak ki. A termék felületi min!sége miatt csiszolást, polírozást csak a festék- és lakkréteg felvitelénél alkalmaztunk. A vezet!ülés rögzítését a héjszerkezet fels! felébe peremmel oldottuk meg. A szintén szénszál er!sítés" ülést és annak peremét az ülés szerszámában egyidej"leg készítettük el. A kapott elemeket a héjszerkezet bels! felületén három különböz! helyen – a vezet!fülkében két oldalon, és a hátsó fels! felületen keresztbe vezetve – kézi laminálással rögzítettük. Ezután az utómunkálatok következtek. A terméken kirajzolódó jelöléseknek köszönhet!en, pontosan kifúrtuk a futóm"furatokat, az övbekötéseket, illetve a további csatlakozási pontokat. Ezzel el!állt a kész alkatrész, melyet már integrálni tudtunk versenyautónkba (9. ábra).

Eredmények, összegzés A 7 hónapos tervezés és gyártás folyamatát egy közel 2 éves kutatási fázis el!zte meg. A tervezés során rendkívül sok szempont figyelembevételével készült el a végleges geometria, amely mind a versenyszabályzatnak, mind a járm" layoutnak, mind a gyárthatósági feltételeknek megfelel. Számos olyan kérdés merült fel, amellyel hazánkban még nem foglalkozott a szakma. Magyarországon els!ként vágtunk bele a fejlesztésbe, ezért alkalmanként nem számíthattunk segítségre, a tudást apránként kellett összeszedni, egyes esetekben saját magunk jöttünk rá a megoldásra. A kompozit héjszerkezet szilárdsági méretezésére a szénszálas kompozit anyag jellemz!inek meghatározása után került sor. A méretezéshez, a versenyszabályzat értelmében, referencia próbatestet készítettünk, ezen ellen!riztük a modell helyességét. A végeselem modellel számított és a próbatesten mért szilárdsági jellemz!k 99%os pontossággal egybeestek. Az els! éves monocoque tömege 23,5 kg lett, ami 12 kg tömegcsökkentést jelent autó szinten. Úgy gondoljuk, a kit"zött célt elértük. A 2013. évi versenyszezonban számos dobogós helyezést értünk el teljesen új autónkkal, ráadásul olyan csapatok ellen, akik évek óta ugyanarra a platformra építkeznek. Ezek közül kimagasló gy!zelemnek számít a FORMULA STUDENT HUNGARY verseny, ahol Európa legjobbjai ellen küzdve megnyertük a m"szaki tervezés és a leghatékonyabb energiafelhasználású autó díját is – amihez nagyban hozzájárult a könny" szénszálas vázszerkezet és számos könnyített alkatrész is. Az ENGINEERING DESIGN EVENT számban aratott gy!zelmünk minden bizonnyal a valaha elért legnagyobb siker a BME FORMULA RACING TEAM történetében! Ezzel az eredménnyel nem csak támogatóinknak, hanem saját magunknak is bizonyítottuk, hogy az elmúlt egy év minden egyes tudatos mozzanatára szükség volt, hogy az utolsó pillanatig érdemes és kell küzdeni (10. ábra).

9. ábra. Verseny közben (Formula Student Hungary, Gy!r, 2013)

10. ábra. A BME Formula Racing Team Engineering Desing gy!zelme a IV. Formula Student Hungary-n


451

Az els! magyar formula monocoque

Recommend Documents