A Baross Gábor pályázat keretében létrehozott Solo elektromos hibrid autó projekt összefoglalása
Baross Gábor Program Nyugat-dunántúli Innovációs Fejlesztések
ND_INRG_05-TAUMOBIL
Az elsı magyar alternatív autó mőködı prototípusának elkészítése II. SZAKASZ
Ezen tanulmány a hivatalos pályázati jelentés publikus kivonata.
1
BEVEZETİ A projekt az alábbi három fázisra bontva valósult meg: • Tervezési és mőhely háttér kialakítása - szervezeti keretek (menedzsment, fejlesztık) - gyakorlati eszközök (szoftverek , számítógépek, szerszámok) - szakértıi testület • Mőszaki tervezés, szimulációk végrehajtása - formatervek, 3D modellezés - alváz, karosszéria, futómő tervezés - statikai és dinamikai számítások, szimulációs vizsgálatok - ütközési szimulációs vizsgálatok - villamos tervezés - prototípus modellezés (belsı tér, pedálhajtás, ajtó, futómő) • Kivitelezés - gyártás – összeszerelés - vázszerkezet - karosszéria - futómő - elektromos rendszer és villamos hajtás - részelemek összeillesztése - belsı tér kivitelezése A projekt teljes ideje alatt ez egyes téma területek egymásra épülve valósultak meg. A megvalósítás minden szakaszára jellemzı volt a terv és a lehetıség idıbeni összhangjának a megteremtése. A megvalósítás sok kompromisszumot kényszeríttet a projektre, mert néhány elemnél a hazai gyártási lehetıségek igen beszőkültek. Ennek ellenére a projekt keretében megépült autó hazai fejlesztık tervei alapján készült el.
2
2. A projekt második munkaszakasza
2.1. Bevezetı A projekt második munkaszakaszának feladatai: Tanulmányírás, szabadalom elıkészítése Solo alváz, karosszéria és futómő tervezés statikai és dinamikai szimulációs vizsgálatok Solo jármő villamos tervezés gazdasági tanulmányok és elemzés. Solo prototípus modellezések (belsı tér, pedálhajtás, ajtó, futómő). A tervek alapján a prototípus részelemeinek legyártása: Erre a szakaszra általánosan jellemzı, hogy az I. munkaszakaszban részletezett munkák továbbvitele történt meg, a folyamat jellegébıl adódó változtatásokkal, a gyártást elıkészítı részletek kidolgozásával, illetve a kivitelezıkkel való egyeztetések kapcsán felmerült módosításokkal. A projekt menetét lassította, hogy a második ütem elılegét csak közel háromnegyed éves késéssel, 2007. augusztus 08-án kaptuk meg. A kivitelezést beindítottuk, de saját erınk és a rendelkezésre álló hitelünk együttesen is kevés volt ahhoz, hogy azt a terv szerinti ütemezésben tudtuk volna folytatni. A második szakasz tervezett befejezése 2007. szeptember. 30-a volt, a munkák összetorlódása és a fent említett finanszírozási problémák miatt rákényszerültünk, hogy a támogatásiszerzıdés módosítását kezdeményezzük. A II. szakasz befejezésének záróidıpontját november 30-ára kértük módosítani, és még így is néhány kivitelezési projekt-elemet a harmadik szakaszra kellett átütemeznünk.
2.2. Tervezési feladatok folytatása A 3D modell alapján az együttmőködı partnerek újabb statikai és dinamikai vizsgálatot készítettek a végleges alvázra és karosszériára, a közben az autóba elhelyezett berendezések figyelembe vételével, s folytatták az ütközési teszteket/szimulációkat.
2.21. Konstrukciós tervezések Az elızı munkaszakaszban elkészültek azok az alap konstrukciós tervek, amik a Solo jármő építéséhez szükségesek. A gyártás indításához most több összeállítási és részletrajz készült.
3
A fı szerkezeti egységek a következık: - karosszéria elemek, - policarbonát v. plexi elemek - alumínium alváz, - kormánymő ház, - ajtómozgató, - rugótartó bak - futómő felfüggesztés, - futómő tartozékok és ezek átalakítása A teljes autó karosszéria elemei
Futómő, kerék felfüggesztés, kormányzás
Lengés csillapités, rugós tag
4
2.22. Szilárdsági szimulációk A számításokat már a gyártási lehetıségek alapján elkészült tervekre kellet újra elvégezni. A vizsgálat kiterjedt az alu. keret függıleges, oldalirányú terhelésének illetve a keret csavarásából adódó erıhatásainak a vizsgálatára.
Számított merevségi Átlagos merevség
értékek
Célérték
SOLO régi
Torzió [kNm/deg] Oldalirányú [kN/mm] Hajlító [kN/mm]
Proto Új
8-11
>20
88,1
165,1
nincs
>5
14,4
25,2
5-17
>20
31,4
112
A vizsgálatok eredményébıl jól látható hogy az alu. keret merevsége többszöröse a célértéknek. A második ütemben még nem dılt el, hogy az autó átlátszó felületei polikarbonátból, vagy plexibıl lesznek legyártva. Így mindkét anyagminıséggel elkészítette az alvállalkozó az autó dinamikai vizsgálatát.
5
Dinamikai
VÉGESELEM
MODELL
PENTA – 6 csomópontos térbeli ék elem
(Solo)
RBE2 – merev elem -
Végeselem modell méretei:
Karosszéria elemek száma: 34
-
Csomópontszám: 144205
Anyagtípusok száma: 5
-
Elemszám: 151003
Elemminıség:
Elemtípusok:
Aspect Ratio= 5 (by NASTRAN)
Q4 – 4 csomópontos négyszög lemezelem
Skewness= 45 (by PATRAN)
T3 – 3 csomópontos négyszög lemezelem
Internal
HEX – 8 csomópontos térbeli hasáb elem
Max=135
angle:
QUAD
–
Min.=45
TRIA - Min.=40 Max=120
Az összefoglaló anyagban a plexi elemeket alkalmazó autó lengésképének az eredményeit mutatjuk be, mivel a prototípus végül ebbıl készült el.
6
2.23. Ütközési szimulációk Szimuláció céljai -
a SOLO prototípus vázszerkezete szabványos (frontális, oldal) ütközési jellemzıinek meghatározása számítógépes szimuláció alkalmazásával kompozit vázelemek minél valóságosabb számítógépes modellezése az eredmények alapján javaslattétel a vázszerkezet esetleges módosításaira összhang a váz statikai, dinamikai jellemzıivel
Szabványos EURO/NCAP ütközési 7
modell (SOLO/ Proto) A frontális ütközés céljára kidolgozott szimulációs modell tartalmazza a szélvédıvel és oldalablakokkal ellátott teljes jármőmodellt, mellsı és hátsó futómőveket, kerekeket, elektromos agymotorokat, fékeket, ajtókat, pedálgenerátorokat, kormánygépet és a hajtáslánc egyszerősített elemeit. A szabvány szerinti frontális ütközés esetén a jármő 64 km/h sebességgel ütközik a rugalmas ütközı felületnek. Jármő tömege= 565 kg
A frontális ütközési szimuláció energia görbéi
8
A frontális ütközési szimuláció gyorsulás és kontak-erı görbéi
Összegzés - Frontális crash -
-
Az utastér, kompozit keret és a könnyőfém alváz nem deformálódott súlyosan az ütközés során. Az orrlemezek, bal oldali kerékdob lemezek, bal futómő alkatrészek súlyosan deformálódtak, tönkrementek (kompozit elemek) az ütközés során. Az orrlemezeket (lökhárító, motorháztetı, stb) tartó balodali kompozit profil teljes tönkremenetele figyelhetı meg. A kompozit profil tönkremenetele után merev felütközés történik az alváz elülsı részére szerelt elektromos kapcsolódobozokon, ennek hatására jelentıs ugrás tapasztalható a gyorsulásgörbén és a kontakt erı is ebben az idızónában éri el maximumát. Biztonsági szempontból szükséges az elektromos kapcsolódobozok áthelyezése, valamint energia elnyelık beépítése a jármő orr részébe.
Szabványos EURO/NCAP Oldal crash (SOLO/Proto) A szabvány szerinti oldal ütközés esetén a jármőnek 50 km/h sebességgel ütközik a rugalmas ütközı felülettel rendelkezı kocsi. Jármő tömege= 565 kg
9
Összegzés - Oldal Crash -
A kompozit keret és a könnyőfém alváz nem deformálódott súlyosan az ütközés során Az ajtó kompozit elemei súlyosan deformálódtak, tönkrementek az ütközés során A plexi oldalablak teljesen megsérült, hosszában felhasadt az ütközés során Az A-oszlop, B-oszlop és küszöb nem deformálódott jelentısen, sikeresen vesznek részt az utastér védelmében Biztonsági szempontból szükséges az ajtókba épített hosszmerevítık kifejlesztése, valamint az aktív energiaelnyelı kompozitok felszerelése a jármő két oldalára.
2.3. Alkatrészek gyártatása A projekt második ütemének a legfontosabb elemei voltak a részletes 3D konstrukciós tervek, az alu-alváz, futómő, kormánymő kiválasztása, a kompozit és plexi karosszéria elemekhez a megfelelı gyártók megtalálása. Az alvállalkozókkal együtt elkészítettük azokat a konstrukciós terveket, amik a Solo jármő építéséhez szükségesek, így a szénszálas kompozitból felépülı külsı karosszéria elemek terveit, amik alapján a gyártásához MDF-bıl ısminták készültek. A szén- és üvegszálas kompozit elemek un. kézi laminálással készültek el, amihez az ısminták alapján mőanyag negatív szerszámokat is kell készíteni. Ez alapján a vállalkozó elkészítette a mőanyag negatív mintákat, illetve a szén és üvegszálas kompozit elemeket. Az autó szilárdsági számításai és törés vizsgálatai szén és üvegszálas kompozit elemekre készültek el, és a felhasznált anyag minıségek a tervezıi elıírásoknak megfelelıen lettek kialakítva.
2.31. İsminták gyártása A kompozit és plexi karosszéria elemek gyártásához a mdf lapokból CNC technológiával elkészített szerszámokat (ısmintákat) kellett gyártatni. A CNC technológiával elkészült szerszámok
10
2.32. Mőanyagformák és karosszériaelemek gyártása Az elkészült mőanyagformák alapján elkészültek az autó karosszéria elemei. A mőanyagformák
11
A karosszéria elemek
2.33. Alumínium alváz és futómő gyártása Elkészült az alu-alváz, valamint a futómőhöz és kormánymőhöz szükséges alkatrészek A legkritikusabb az alumínium alváz keret elkészítése volt, mert erre lesz felépítve az autó. A munka az alu-szerkezet darabolásából, hegesztésébıl, karusszer-esztergán való tőrt méretnek megfelelı furások elvégzésébıl állt. A többi alkatrész anyaga acél, ezek is a fémipari tevékenység körébe tartoznak. A feladatok itt is darabolás, hegesztés, forgácsolás és edzés témakörébe tartoztak. A vállalkozó tevékenysége révén elkészültek azok a fém alkatrészek, illetve át lettek alakítva azok a futómő alkatrészek, amik szükségesek a Solo jármő megépítéséhez. Továbbá kialakításra került az a kerék felfüggesztés, amihez csatlakoztathatóak a kifejlesztett elektromos agymotorok.
12
alu alváz
2.4. Villamos rendszer és kerék agymotor tervezése, kivitelezése A fejlesztés második ütemében igen sok idıt fordítottunk a jármőmozgatásában jártas villamos szakemberek megtalálására. Több szakemberrel és vállalkozással is tárgyaltunk, de nem találtunk olyan vállalkozót, aki egyben elvállalta volna a rendkívül összetett villamos rendszer tervezését és kivitelezését (többszintő villamos hajtás, napelemes energiagyőjtés, hatékony akku alkalmazása, akkuvezérlés, elektromos kerékagymotorok). Így több részre bontottuk szét a feladatokat. Az elektromos részegységek tervezésére és kivitelezésére végül két céggel szerzıdtünk le: •
az egyik feladata a vezérlés és vezérlıegységek legyártására: a kormány, gázkar, elektromos vezérlés, a hajtások a teljes prototípus egészére vonatkoztatva, biztonsági elektronika, világítás, és egyéb elektromos egységek rendszerbe foglalása és ezek szerelése. • a másikkal alábbi feladatokra: az elektromos agymotor-generátor tervezése és gyártatása (valamennyi kerékre) és szerelése, a szabályozása, a töltı és kisütı elektronika, továbbá az Antro Kht. fejlesztésében megvalósuló taposó generátor illesztése a hajtáslánchoz.. Az elsı alvállalkozó az elsı részteljesítés után idı és kapacitáshiányra hivatkozva elállt a szerzıdés folytatásától, ami nagy problémát okozott a speciális szakterület, a hátralévı idı rövidsége és a feladat kulcsfontossága miatt. Az utolsó pillanatban sikerült megoldást találni és a munkákat átvette egy új vállalkozó. A második munkaszakaszban így megtörtént a koncepció alapján a kerékagymotorok részletes tervezése, a motorok kivitelezésének, valamint a hajtáselektronika rendszertervének elıkészítése. A mellsı és hátsó kerékagymotorok részletes tervdokumentációja a kidolgozott paraméterek teljesítésével elkészült. A hozzá kapcsolódó elıkészítı munkák is elindultak, melyek a következı szakaszban fejezıdnek be. 13
összeszerelt kerékagy motorok
A villamos munkák egyik igen bonyolult részét, a taposópedál-generátor megvalósítását az Antro Kht. oldotta meg saját tervezés és kivitelezés formájában. A taposópedál-generátor
Elektromos rendszerterv
14
Elkészültek a rendszerterv módosítások, jelentıs, a szempontrendszer szerint indokolt átalakításokkal. A kerékagymotorok a gépész konstrukciók miatt jelentıs átdolgozást igényeltek. A villamos részegységek beszerzése terv szerint haladt, de a Li-ion akkumulátorok megrendelésével voltak problémák.
2.5. Az autó belsı kialakítása A második szakaszban a formatervezınk egy diplomázó segítségével elkészítette a Solo belsı terének formaterveit, ami alapot adott a belsı tér konstrukciós terveinek az elkészítéséhez.
15
2.6. A fejlesztés fenntarthatóságát szolgáló tanulmányok
2.61. Szabadalmi vizsgálatok, és szabadalmi stratégia Új elem a szabadalmi vizsgálat, és a tanulmány készítése, mely az iparjogvédelem oldaláról ad lényeges szempontokat a védelmi, illetve fejlesztési stratégia felé. Tevékenység leírása: A Solo-Duo jármő fejlesztésével kapcsolatos szabadalmi stratégia felülvizsgálata és véleményezése az eddig eltelt idıszak eredményeinek, történéseinek áttekintésével. A meglévı szabadalmak helyzetének, fenntartásának vagy elvetésének értékelése. Fentiek birtokában, a projekt keretében folyó fejlesztés mőszaki áttekintésével hatékony szabadalmi, iparjogvédelmi stratégia kidolgozása. Elkészült feladatok és elért eredmények: Többkörös egyeztetés kapcsán feltártuk az eddigi lépéseket, megtörtént a meglévı szabadalmak értékelése. Megállapítást nyert, hogy más piaci szereplık jogszerzése a két bejelentés vonatkozásában a jövıben kizárható, illetve hatékonyan gátolható. Rögzítésre került az a követendı iparjogvédelmi stratégia, mely a jövıbeni ütemezés alapján késıbbre halasztott bejelentéseket javasol. Ugyanis a mőszakilag teljesen kiforrott, konkrét konstrukciók esetében azok jóval nagyobb eséllyel védhetık, valamint a jelentıs jogvédelmi költségek is csak késıbb jelennek meg, ezáltal pedig reálisan finanszírozhatók. A taposópedál generátor, mint mőszaki megoldás a késıbbiekben egy önálló termék is lehet, aminek a lehetséges hasznosítása a Solo-Duo jármőtıl függetlenül is történhet.
2.62. Új jármő változatok kidolgozása Az új jármőváltozatok kidolgozása a Solo jármőhöz csatlakoztatható újabb funkciók elemzésével történt. Kidolgozásra került a Porto – pickup, Veho – kisbusz, valamint az Invenio – lakóautó formaifunkcionális, valamint mőszaki koncepciója. A feladat legnagyobb kihívása abból adódott, hogy hogyan ötvözhetı a meglévı geometria az új és eltérı funkciókkal úgy, hogy harmonikus egységet képezzen. A szerzıdés teljesítése után az eredmény érdekében további finomító munkavégzés történt a vállalkozó és az Antro Kht munkatársainak részvételével. A leendı jármőváltozatok jelentısen kibıvítik a potencionális vásárlói kört, valamint eddig ismeretlen flexibilitás lehetıségét vetítik elıre. A Solo-Duo mőszaki megoldásainak kialakításában pedig az új változatok fontos, új szempontokat is felvetnek, melyek a fejlesztés során integrálásra kerülnek.
16
17
2.63. Alternatív üzemagyag kérdései, illetve a humánerıforrás szükségletek A harmadik feladat az alternatív üzemanyagok elıállításának mezıgazdasági és technikai hátterének, valamint a humánerıforrás igényének felmérésérıl szólt. Az elkészült összefoglaló elemzi a különféle bioüzemanyagok felhasználásának lehetıségeit, elsısorban elérhetıségükre, a forgalmazás, gyártás, szabályozás trendjeire tekintettel. Továbbá részletesen vizsgálja az autó további fejlesztésének, piacra jutásának lépéseit, illetve ezen lépések erıforrásigényét (az idı, pénz, humán erıforrás hármasra koncentrálva).
2.7. A második munkaszakasz összefoglalója A konkrét, fizikai összeszerelés, építés, megvalósítás az utolsó 3-4 hónapba történı bezsúfolódása miatt szükségessé vált új munkatársak felvétele. A fejlesztıi találkozók az utolsó 2 hónapban kétheti gyakorisággal valósultak meg.
A második ütemre tervezett két lényeges projektelemet át kellett ütemeznünk a harmadik munkaszakaszra: - Magyarországon csak egy olyan polikarbonáttal, plexivel foglalkozó gyártót sikerült találnunk, aki az autó átlátszó elemeit le tudja gyártani, de ık a gyártást csak január elejétıl vállalták - a második ütem finanszírozási problémái miatt az itt vállalt összeszerelések csak a harmadik ütemben tudnak megvalósulni. A második ütemben az alábbi tervek és vizsgálati anyagok valósultak meg, mint a fejlesztés eredményei: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
konstrukciós és 3D modell tervek statikai és dinamikai szimulációs vizsgálatok a Solo törésteszt szimulációi a karosszéria elemek szerszámai (ısmintái) a negatív minták, illetve a kész karosszéria elemek szénszálas kompozitból. elkezdett belsı tér megvalósítás pedálgenerátor tervei, és a megvalósítás elkezdése 18
8. villamos koncepció kialakítása, kivitelezı, gyártó keresése. 9. új villamos koncepció, villamos elemek megrendelése, vásárlása (kormány, napelemek LCD kijelzık, akkumulátorok, akkumulátor felügyelet, fékek, LED izzók) 10. 2+2 db agymotor tervezése, és gyártás beindítása 11. alumínium alváz gyártása, illetve a futómő és kormánymő elemeinek az átalakítása 12. a Solo-hoz kapcsolható további jármőváltozatok formaterveinek az elkészítése 13. új szabadalmi stratégia kidolgozása, szabadalmi elıkészítés, részletes újdonság vizsgálat a pedálgenerátorral kapcsolatban, javaslat a jármővel kapcsolatos találmányi, ipari mintaoltalom, védjegy kérdéseirıl 14. az alternatív üzemanyagokkal kapcsolatos, valamint a fejlesztés és a sorozatgyártás humán erıforrás szükségletének összefoglalója 15. fejlesztıi találkozók jegyzıkönyvei 16. szakértıi testületi ülések jegyzıkönyvei 17. Solartaxi találkozó 18. gazdasági elemzése 19. a Széchenyi István Egyetemen, a BME Jármőgépészeti Tanszéken, valamint Zalaegerszegen a Pannonnovum Innovációs konferencián elıadások a Baross Gábor pályázat keretében elért eredményekrıl.
Elıadás a BME Jármő tanszéken
valamint a Széchényi István Egyetemen
19
