TRUBKOVÝ DRŽÁK LYŽINY RALLY VOZU ŠKODA FABIA SUPER 2000

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING

TRUBKOVÝ DRŽÁK LYŽINY RALLY VOZU ŠKODA FABIA SUPER 2000 TUBULAR SKID HOLDER OF SKODA FABIA SUPER 2000 RALLY CAR

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS

AUTOR PRÁCE

Bc. MAREK ONDRUCH

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2013

Ing. PAVEL RAMÍK

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav automobilního a dopravního inženýrství Akademický rok: 2012/2013

ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE student(ka): Bc. Marek Ondruch který/která studuje v magisterském navazujícím studijním programu obor: Automobilní a dopravní inženýrství (2301T038) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce: Trubkový držák lyžiny rally vozu Škoda Fabia Super 2000 v anglickém jazyce: Tubular Skid Holder of Skoda Fabia Super 2000 Rally Car Stručná charakteristika problematiky úkolu: Vytvořte konstrukční návrh upravené varianty držáku konstrukce držáku ochranné lyžiny rally vozu Škoda Fabia Super 2000 s cílem snížení jeho hmotnosti. Cíle diplomové práce: 1. Proveďte dostupnou rešerši konstrukčního řešení ochranných prvků vozidel určených pro jízdu v terénu. 2. Proveďte kontrolu únosnosti šroubových spojů úchytů držáku lyžiny pro současné konstrukční řešení. 3. Proveďte výpočtovou simulaci napjatosti současné konstrukce držáku pro zátěžné stavy dané - různým úhlem nárazu na lyžinu při jízdě vozidla - zatížením vyplývajícím z hmotnosti vozu a přetížení 7 g 4. Proveďte konstrukční návrh držáku lyžiny s cílem snížení jeho hmotnosti. 5. Proveďte výpočtovou simulaci napjatosti upravené varianty držáku. V případě potřeby tvar upravte a proveďte simulaci napjatosti po úpravě. V případě potřeby postup opakujte. 6. Srovnejte navržené varianty a vyslovte doporučení k použití nejvhodnější varianty z hlediska hmotnosti a funkčních vlastností.

ABSTRAKT, KLÍýOVÁ SLOVA

ABSTRAKT Tato diplomová práce se zabývá konstrukþním návrhem trubkového držáku ližiny na rally vĤz Škoda Fabia Super 2000. Ke zhodnocení stávající varianty a navazujících navrhovaných konstrukþních variant je využito MKP programu. Na základČ zjištČných výsledkĤ byla vybrána nejvhodnČjší varianta, která zároveĖ splĖuje požadovanou tuhost a snížení hmotnosti.

KLÍýOVÁ SLOVA Ližina, Škoda Fabia Super 2000, ochranné prvky, rallye, tuhost, trubkový držák

ABSTRACT This diploma thesis “Tubular Skid Holder of Skoda Fabia Super 2000 Rally Car” is aimed to engineering design of tubular skid holder of rally car Skoda Fabia Super 2000. There is used FEM software for analysis and evaluation of current variant and following variants of engineering design. The most relevant final variant design, which is consistent with asked stiffness and reduction of weight, was chosen based on findings.

KEYWORDS Sump guard, Škoda Fabia Super 2000, protective elements, rally, stiffness, tubular holder

BRNO 2013

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ONDRUCH, M. Trubkový držák lyžiny rally vozu Škoda Fabia Super 2000. Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta strojního inženýrství, 2013. 60 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Pavel Ramík.

BRNO 2013

ýESTNÉ PROHLÁŠENÍ

ýESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že tato práce je mým pĤvodním dílem, zpracoval jsem ji samostatnČ pod vedením Ing. Pavla Ramíka a s použitím literatury uvedené v seznamu.

V BrnČ dne 24. kvČtna 2013

…….……..………………………………………….. Marek Ondruch

BRNO 2013

PODċKOVÁNÍ

PODċKOVÁNÍ DČkuji tímto vedoucímu mé diplomové práce Ing. Pavlu Ramíkovi za metodické rady, pĜipomínky a celkové vedení. Dále bych rád podČkoval pracovníkĤm továrního oddČlení ŠKODA AUTO, Motorsport, a to pĜedevším panu Václavovi Trkolovi a panu Ing. JindĜichovi Žlebkovi, za cenné rady a samotnou pĜíležitost získávat zkušenosti právČ od tČchto odborníkĤ ve spoleþnosti ŠKODA AUTO a.s.. Chci také podČkovat své rodinČ za neustálou podporu a pomoc v prĤbČhu celého studia.

BRNO 2013

OBSAH

OBSAH Obsah .......................................................................................................................................... 8 Úvod ......................................................................................................................................... 10 1

SoutČžní vĤz pro rallye ..................................................................................................... 11 1.1

2

SoutČžní vĤz ŠKODA FABIA Super 2000................................................................ 12

Ochranné prvky pro jízdu v terénu ................................................................................... 15 2.1

Podlaha....................................................................................................................... 15

2.2

Ližina ......................................................................................................................... 15

2.2.1 2.3 3

Držák ližin .......................................................................................................... 16

Pryžové ochrany ........................................................................................................ 17

Souþasný stav držáku ližin ............................................................................................... 18 3.1

Složení ....................................................................................................................... 18

3.2

Uchycení .................................................................................................................... 19

3.3

Hodnocení souþasné varianty .................................................................................... 19

3.3.1 3.4

Hodnocení souþasného uchycení držáku ............................................................ 21

Hodnocení držáku pĜi rĤzných úhlech nárazu ........................................................... 31

4

Cíle a vlastnosti nového držáku ........................................................................................ 32

5

Metodika pro návrh držáku............................................................................................... 33 5.1

6

5.1.1

Konstrukþní program Catia V5........................................................................... 33

5.1.2

Ansys Workbench .............................................................................................. 34

5.2

Kritéria zástavby ........................................................................................................ 35

5.3

ZátČžné stavy ............................................................................................................. 36

Konstrukþní Ĝešení ............................................................................................................ 37 6.1

7

Využité programy ...................................................................................................... 33

Volba materiálu .......................................................................................................... 37

6.1.1

Chrom-molybdenová ocel 25CrMo4 .................................................................. 37

6.1.2

Materiál 15CdV6 ................................................................................................ 37

6.1.3

Mangan chromová ocel 16MnCr5 ...................................................................... 38

6.2

Volba trubek .............................................................................................................. 38

6.3

Ostatní prvky.............................................................................................................. 38

Navrhované konstrukþní varianty..................................................................................... 39 7.1

Varianty vycházející ze souþasného stavu ................................................................. 39

7.1.1

Varianta 1 ........................................................................................................... 39

7.1.2

Varianta 2 ........................................................................................................... 41

7.1.3

Varianta 3 ........................................................................................................... 42

7.1.4

Varianta 4 ........................................................................................................... 43

BRNO 2013

8

OBSAH

7.2

7.2.1

Varianta 5 (s použitím þtvercového profilu)....................................................... 44

7.2.2

Varianta 6 ........................................................................................................... 46

7.2.3

Varianta 7 ........................................................................................................... 47

7.2.4

Varianta 8 ........................................................................................................... 48

7.2.5

Varianta 9 ........................................................................................................... 51

7.2.6

Varianta 10 ......................................................................................................... 52

7.3 8

Varianty s novou konstrukcí ...................................................................................... 44

Srovnání navržených variant ..................................................................................... 53

SvaĜovaní jednotlivých þásti............................................................................................. 54

ZávČr ......................................................................................................................................... 56 Použité informaþní zdroje......................................................................................................... 58 Seznam použitých zkratek a symbolĤ ...................................................................................... 59

BRNO 2013

9

ÚVOD

ÚVOD Tato diplomová práce se zabývá konstrukþním návrhem držáku ližiny rally vozu Škoda Fabia Super 2000. Práce je zpracována ve spolupráci s továrním rallyovým teamem ŠKODA AUTO a. s., oddČlení Motorsport. Návrh má nápomoci pĜi konstrukþních pracích na vývoji ochranných prvkĤ na aktuálním soutČžním voze, a to pĜedevším ochranného krytu motoru a podvozku, který je v rallye nazýván ližina. Dále by mČlo dojít ke zvýšení tuhosti držáku a snížení jeho hmotnosti pĜi zachování požadované bezpeþnosti a spolehlivosti soutČžního vozu. V první þásti práce je blíže krátce pĜedstavena automobilová soutČž rallye a instituce s tím spojené. První podkapitola pĜedstavuje soutČžní vĤz Škoda Fabia Super 2000 s dĤrazem na ochranné prvky pro jízdu v terénu. Na tuto þást navazuje posouzení stávajícího držáku ližiny prostĜednictvím analýzy v programu Ansys Workbench. Tato analýza povede ke zjištČní nedostatkĤ stávajícího držáku vþetnČ urþení jeho pĜedimenzovaných þástí. TČchto nalezených nedostatkĤ je dále využito pĜi navrhnutých úpravách stávající konstrukce. K vytvoĜení jednotlivých variant návrhĤ je využito CAD programu, k analýze pak MKP programu, pĜiþemž jednotlivé kroky práce s programy jsou popsány v textu. Jednotlivé navrhované konstrukþní varianty držáku ližiny jsou obsaženy v kapitole sedmé. Každý návrh je podroben analýze z hlediska deformace a napjatosti. NáslednČ je zhodnocena relevantnost varianty. Diplomová práce obsahuje celkem deset navrhovaných konstrukþních variant, pĜiþemž u jednotlivých variant je také brán ohled na vlastnosti materiálĤ (materiálĤm je vČnovaná samostatná šestá kapitola), svaĜitelnosti a dostupnosti vybraných komponentĤ u dodavatelĤ tak, aby byla zajištČna realizovatelnost navrhovaného držáku ližiny. Tato þást je pak zakonþena srovnáním pĜedložených navrhovaných konstrukþních variant. V závČru práce jsou pak shrnuty dosažené výsledky.

BRNO 2013

10

SOUTċŽNÍ VģZ PRO RALLYE

1 SOUTċŽNÍ VģZ PRO RALLYE Rallye je automobilová soutČž, konající se na uzavĜených mČĜených úsecích silnic. SoutČže se mohou konat na rĤzných površích, pĜiþemž nejþastČji se konají na uzavĜených pozemních komunikacích urþených pro bČžný provoz, tedy na asfaltu nebo betonu. Spousta soutČží se mĤže rovnČž konat i na nezpevnČných komunikacích, a to na šotolinČ. Pro rallye jsou navrhované speciální soutČžní vozy s mnoha specifiky, které musí absolvovat soutČže v rĤzných þástech svČta za rĤzných klimatických podmínek, poþínaje horkým prašným prostĜedím a velkými mrazy napĜíklad na soutČžích ve Švédsku konþe. Rallye je rozdČlená do nČkolika rychlostních zkoušek, ke kterým se soutČžní vozy pĜemísĢují po vlastní ose jako úþastníci silniþního provozu. A právČ z tohoto dĤvodu musí samotní závodníci dodržovat dopravní pĜedpisy a zároveĖ musí být jejich vozy plnČ zpĤsobilé a schválené pro provoz na pozemních komunikacích s platnou registraþní znaþkou. SoutČžní vĤz musí být rovnČž homologován podle soutČžních pravidel, která zahrnují bezpeþnostní prvky, minimální hmotnosti jak jednotlivých souþástí vozu, tak samotného soutČžního vozu, technické parametry motoru a také maximální cenu vozu. Tato pravidla jsou dána státními automotokluby, pod jejichž záštitou jsou závody uskuteþĖovány. Tyto automotokluby mají valnou þást pravidel pĜevzatou z Mezinárodní automobilové federace (dále jen FIA). Posádky mezi sebou soutČží na jednotlivých mČĜených úsecích rychlostních zkoušek s cílem nejlepšího dosaženého þasu ze všech rychlostních zkoušek. Rallye soutČže je možné rozdČlit do nČkolika kategorií, a to od hobby kategorie až po soutČže mistrovství svČta. SamozĜejmostí všech jezdcĤ i v nejnižších soutČžích je platná licence pro starty v automobilových soutČžích. Vozy, které se úþastní zejména soutČží nižších kategorií, jsou þasto pĜestavČné sériovČ vyrábČné vozy doplnČné o komponenty vyhovující rallyovému závodČní, pĜípadnČ jsou nČkteré pĤvodní komponenty sériového vozu zcela odstranČny. Je to právČ nízká hmotnost soutČžního vozu, která je klíþová pro naplnČní hlavního cíle, a to co nejvČtšího výkonu a dobrých jízdních vlastností soutČžního vozu. Všechny vozy pĜed pĜihlášením do soutČže musí splĖovat platné homologace, napĜ. dovybavení vozu ochrannými prvky jako je ochranný rám, hasicími systémy a jiné bezpeþnostními prvky. U vyšších kategorií rallye je zĜetelná vizuální podoba závodních speciálu se sériovými vozy, nicménČ celá stavba závodního vozu je výsledkem peþlivé a vytrvalé práce konstruktérĤ na umístČní jednotlivých relevantních prvkĤ, a to vše s ohledem na hmotnost, výkon a tČžištČ vozu. SoutČžní tým Škoda Motorsport se aktuálnČ úþastní soutČží v kategorii Super 2000 (dále jen S2000), která je zaĜazena do seriálu World Rally Championship 2 (dále jen WRC-2) a European Rally Championship (dále jen ERC). SoutČž ERC navazuje na šampionát Intercontinental rally Challenge (dále jen IRC). Jedná se o relativnČ „nové“ soutČže, kterými Automobilová federace zareagovala na do té doby finanþnČ nároþné investice spojené s rallye soutČžemi a zavedením daných opatĜení týkajících se soutČžního vozu zvýšila zájem o úþast v tomto typu soutČží, tedy pĜilákat tak do rallye více týmĤ, pĜedevším z Ĝad automobilek a nových potencionálních jezdcĤ. Mezi zmínČná opatĜení patĜí napĜ. omezení nákladĤ na vývoj, provoz a údržbu závodních speciálĤ. Tento trend snižování nákladĤ lze rovnČž pozorovat v posledních letech i ve Formuli 1. Pro kategorii vozĤ S2000 je typický pĜedevším atmosférický motor se zdvihovým objemem 2000 cm3, se sekvenþní pĜevodovkou a pohonem všech þtyĜ kol pomocí mechanických diferenciálĤ. BRNO 2013

11


FIA „Mezinárodní automobilová federace (FIA, francouzsky Fédération Internationale de l'Automobile) je mezinárodní organizace sdružující jednotlivé národní automobilové organizace. Organizace reprezentuje zájmy motoristických organizací a motoristĤ z celého svČta. Další dĤležitou þinností je poĜádání a Ĝízení celé Ĝady motoristických sportĤ, napĜ. závodĤ Formule 1 a Mistrovství svČta v rallye. Mezinárodní automobilová federace vznikla v roce 1904 pod názvem AIACR (Association Internationale des Automobiles – Clubs Reconnus). Již od roku 1926 se stal þlenem i Autoklub ýeské republiky. Po druhé svČtové válce byla organizace pĜejmenována na Fédération Internationale de l'Automobile, tedy FIA.“ [1] FIA spravuje a vydává pravidla a pĜedpisy pro všechny motoristické soutČže na mezinárodní úrovni, od bezpeþnostních pokynĤ pro poĜádání soutČží, pĜes bezpeþnostní prvky v konstrukci závodních speciálĤ, až po povolené technické úpravy na vozech úþastnících se šampionátĤ, které spadají pod FIA. Každý vĤz povolený regulemi FIA musí mít tzv. „homologaþní list“, který obsahuje charakteristiky umožĖující identifikaci daného modelu.

1.1 SOUTċŽNÍ VģZ ŠKODA FABIA SUPER 2000 ŠKODA Motorsport se svou více než 112-ti letou tradicí v souþasnosti disponuje svým soutČžním speciálem s názvem Škoda Fabia Super 2000. Tento typ je následovníkem Škody Fabia WRC, která byla stavČna pro svČtový šampionát v rallye. Škoda Fabia Super 2000 byla oproti WRC postavena na modelové ĜadČ Fabia II. generace. ŠKODA AUTO a.s. ve svém výrobním programu oproti konkurenci nedisponuje v sériovém provedení tohoto vozu tĜídveĜovou karoserií. Protože musí soutČžní vĤz vycházet ze sériovČ vyrábČného modelu, k sestavení Škody Fabie Super 2000 bylo využito pČtidveĜové karoserie typu hatchback, což lze oznaþit jako mírnou hmotnostní nevýhodou oproti ostatním tĜídveĜovým modelĤm. VČtšina vývojových a konstrukþních práci je provádČna pĜímo ve vývojových dílnách továrního oddČlení Škoda Motorsport, pĜiþemž nČkteré komponenty vozu jsou výsledkem spolupráce mateĜské firmy s jinými automobilovými firmami nejen v ýeské republice, ale i ve svČtČ. PĜíkladem takové spolupráce je napĜ. motor, který byl vybrán pro svĤj optimální þtvercový pomČr vrtání x zdvihu z Octavie II. generace, a to konkrétnČ z typu 2,0 FSI 110 kW, ze sériové produkce a dále byl pro soutČžní úþely ve spolupráci s francouzskou motoráĜskou firmou ORECA pĜepracován. Velkou výhodou tohoto motoru je blok motoru odlitý z hliníkové slitiny, což pĜedstavuje znaþnou úsporu hmotnosti oproti litinovým blokĤm. V soutČžní verzi tento zážehový atmosférický šestnáctiventilový þtyĜválec disponuje 265 koĖskými silami a toþivým momentem 245 Nm. Další þásti vozu jsou pak nakoupeny od spoleþností zamČĜených na sportovní úþely, popĜípadČ patĜící mezi špiþky ve svém oboru. Elektronika vozu je dodávána z italské spoleþnosti Magneti Marelli. Na základČ vynikajících pĜedchozích zkušeností s pĜevodovým ústrojím pro pohon 4x4 od spoleþnosti Xtrac, je u Škody Fabie Super 2000 použito pĜevodové ústrojí právČ od této spoleþnosti, a to typ 532. Jedná se o pĜíþnČ uloženou šestistupĖovou pĜevodovku, jejíž souþástí je i pĜední diferenciál. Tento diferenciál pak rozvádí výkon od motoru k pĜedním a zadním kolĤm v pomČru 50:50. Celková hmotnost pĜevodového ústrojí je 64,5 kg, nicménČ tuto hmotnost lze ovlivnit zvolenými specifikacemi. Zadní diferenciál pochází od stejného dodavatele a vyznaþuje se hliníkovou skĜíní, nízkými náklady a zároveĖ je technicky

BRNO 2013

12


spolehlivý a lehký. Hmotnost zadního diferenciálu od firmy Xtrac je 36 kg. PĜi sestavování vozu byl kladen velký dĤraz na podvozek, u kterého se pĜi jeho navrhování vycházelo z pĜedepsaného zavČšení MacPherson. PĜi jeho konstrukci spoleþnost spolupracovala s nČmeckou firmou Heggemann. Tlumiþe byly dodány holandskou spoleþností Reiger a brzdy spoleþností Brembo. PĜední brzdy pro asfaltovou specifikaci mají prĤmČr 355 mm a pro šotolinovou specifikaci 300 mm. Oproti tomu mají zadní brzdy pro obČ specifikace stejný prĤmČr, a to 300 mm. Na šotolinČ používá vĤz patnáctipalcové a na asfaltu osmnáctipalcové disky. Kokpit vozu je vybaven ochranným rámem splĖujícím požadavky FIA na bezpeþnost, skoĜepinovými sedaþkami pro posádku s bezpeþnostními šestibodovými pásy, volantem, na nČmž lze nalézt ovládací tlaþítka pro stČraþe, startovací tlaþítko a další prvky výbavy vozu. Vedle volantu je umístČna Ĝadicí páka sekvenþní pĜevodovky a ruþní brzda. SamozĜejmostí jsou rovnČž pedály, které je možné posouvat spoleþnČ se sedaþkou podle tČlesné velikosti pilota. V zorném poli pilota se nachází pouze displej ukazující momentálnČ zaĜazený pĜevodový stupeĖ. Ovšem mnohem více ovládacích prvkĤ má ve svém dosahu spolujezdec, který ovládá veškeré elektrické zaĜízení ve voze. Na stĜedovém tunelu mezi jezdcem a spolujezdcem se pak nachází stĜedový panel, kde mĤže spolujezdec ovládat startér, všechna svČtla, ventilátor interiéru a další zaĜízení. Zde se ovládá i informaþní displej spolujezdce, kde se zobrazují dĤležité technické informace o voze. Výbavou vozu je rovnČž kromČ povinné výbavy také rezervní kolo a náĜadí pro možné opravy mimo servisní zónu, aby se tak pĜedešlo pĜípadnému odstoupení ze soutČže, a také hasicí pĜístroje.[2] RozmČry soutČžního vozu jsou: Délka ŠíĜka Rozvor Hmotnost

-

3 992 mm 1 820 mm 2 486 mm 1 200 kg

Obr. 1 VĤz Škoda Fabia Super 2000 [3]

První testovací kilometry absolvovala Škoda Fabia Super 2000 na pĜelomu ledna a únoru 2008. Mezi testovacími piloty byli mimo jiných Jan Kopecký, Raimund Baumschlager a také legenda rallye Carlos Sainz. První ostré kilometry absolvoval vĤz v roli pĜedjezdce na Barum Czech Rally Zlín a následnČ v San Remu. Mezinárodní homologaci vĤz obdržel v roce 2009 a závodní premiéru si vĤz odbyl pĜi Rally Monte Carlo v témže roce, která se jela BRNO 2013

13


jako souþást IRC. V souþasné dobČ je vĤz považován za jeden z nejlepších, ne-li za vĤbec nejlepší vĤz kategorie Super 2000, což dokazují skvČlé výsledky v rĤzných národních a mezinárodních šampionátech. V roce 2012 se tento vĤz stál vítČzným v šampionátech IRC, v Evropském šampionátu v Asijsko Pacifickém mistrovství a dále také v nČkolika národních šampionátech, aĢ už v ýeské republice, NČmecku, Rakousku nebo v dalších zemích. TČchto úspČchĤ dosahovaly jak tovární posádky týmu ŠKODA Motosport, tak i soukromé týmy, které mají aĢ už pĜímou nebo nepĜímou spolupráci s továrním týmem. NČkteré týmy si pronajímají soutČžní vozy továrního týmu ŠKODA Motorsport nebo si vĤz rovnou zakoupí.

BRNO 2013

14

K,ZEEWZs
2 OCHRANNÉ PRVKY PRO JÍZDU V TERÉNU Závody rallye se konají na rĤzných typech povrchĤ od asfaltu pĜes šotoliny až po soutČže na snČhu. Z tohoto dĤvodu musí byt ochranné prvky konstruovány tak, aby nemČly vliv na jízdní vlastnosti a zároveĖ mČly co nejvČtší úþinnost v daných situacích a podmínkách. Lze pĜedpokládat nárazy pĜi skocích, nebo od kamenĤ þi jiných dalších þástic na trase rychlostní zkoušky. Snahou je ochránit motor, chladiþ, zavČšení, pĜevodovku, nádrž, pĜevody, výfuk a láhve hasícího systému. Tyto prvky musí zajišĢovat dostateþnou tuhost pĜi nejmenší možné hmotnosti. Cílem konstrukce je tedy ochrana vozu pĜi všech možných situacích bČhem absolvování rychlostních zkoušek tak, aby nedocházelo k poškození žádné þásti soutČžního vozu, pĜípadnČ zajistit ochranu dĤležitých komponentĤ pĜed možným odstoupením ze soutČže. Mezi nejdĤležitČjší ochranné prvky pro jízdu v terénech patĜí kromČ rĤzných krytĤ pĜedevším ližina a podlaha vozu.

2.1 PODLAHA Podlaha zajišĢuje ochranu kabiny vozu proti nežádoucím þásticím prostĜedí. Podlaha soutČžního vozu Škoda Fabia S2000 je vyrobena z kompozitních materiálĤ. Tyto materiály zajišĢují dostateþnou ochranu pĜedevším z hlediska tuhosti v této þásti za maximálního snížení hmotnosti. Zlepšení aerodynamiky vozu má za úkol taktéž podlaha. Ta by mČla být vyrobena tak, aby bylo zajištČno optimální proudČní vzduchu. FIA ve svých pravidlech definuje výši minimální hmotnosti soutČžního vozu, a to v hodnotČ 1 200 kg. Protože je však možné u soutČžních vozĤ dosáhnout daleko nižší hmotnosti než je stanovená minimální hodnota, používají se k dosažení daného limitu tzv. vyvážky, které jsou umístČny právČ na podlaze vozu, a to v takové pozici, aby nebylo narušeno požadované umístČní tČžištČ.

2.2 LIŽINA Jedním z nejdĤležitČjších ochranných prvkĤ je ližina plnicí funkci ochranného krytu motoru a podvozku. PĜi konstrukci je nutno vycházet z pravidel FIA a z pravidel þeského automotoklubu. Z pravidel FIA a þeského automoklubu: „Montáž ochrany podvozku je povolena pouze pro rally za podmínky, že se jedná o úþinnou ochranu, která respektuje svČtlost, je demontovatelná a koncipovaná výluþnČ na ochranu následujících prvkĤ: motor, chladiþ, zavČšení, pĜevodovka, nádrž, pĜevody, výfuk, láhve hasicího systému. Pouze pĜed osou pĜedních kol mohou tyto ochrany zakrývat celou šíĜku dolní þásti pĜedního nárazníku.“[4] Na soutČžním speciálu jsou ližiny umístČny v pĜední i v zadní þásti vozidla. Klíþovou roli zde pĜedstavuje požadovaná tuhost, která má ochránit hnací ústrojí pĜed nárazy pĜi jakékoliv jízdní situaci soutČžního vozu. Dalším relevantním požadavkem je taktéž dobrý skluz pĜi dopadu vozu na ližinu. Zejména se požaduje, aby bylo možné pĜi jakémkoliv nárazu dále pokraþovat bez poškození vozu v jízdČ. V úvahu je nutno brát i skoky, které jsou na nČkterých soutČžích, napĜíklad u finské rallye, i pĜes 50 metrĤ dlouhé. Takto dlouhé skoky mohou pĜedstavovat pro vĤz svislé pĜetížení 10g. Z konstrukþního hlediska se jedná o duralové,

BRNO 2013

15

K,ZEEWZs
Obr. 2 Ližina rallyového vozu Ližina je uchycena ze spodní strany þtyĜmi vysoko-pevnostními šrouby se zapuštČnou hlavou z dĤvodu nevyþnívání hran, tedy pro optimální klouzaní pĜi nárazu. Zatímco v pĜední þásti je pĜední ližina pĜichycena šrouby k držáku ližin, v zadní þásti je uchycena pĜímo k podlaze vozu. Ližina v zadní þásti vozu slouží pĜedevším pro ochranu diferenciálu, podvozku a palivové nádrže. Tyto ližiny nevyžadují žádné držáky, jelikož jsou pĜichyceny pĜímo ke karoserii soutČžního vozu. 2.2.1 DRŽÁK LIŽIN Z dĤvodu velmi malého zbývajícího prostoru mezi motorem a pĜední ližinou musí být ližiny spojeny speciálními držáky. Držák ližin zajišĢuje uchycení mezi ližinou a podélníky karosérie. Úkolem držákĤ je nést samotnou ližinu a zároveĖ eliminovat síly pĜicházející od ližin pĜedevším pĜi nárazech, a to vše za pĜedpokladu konstrukce s co nejmenší hmotností a požadovanou tuhostí.

BRNO 2013

16

K,ZEEWZs
Obr. 3 Souþasný držák ližiny a jeho uchycení [5]

2.3 PRYŽOVÉ OCHRANY Ližina je chránČna pryžovou hmotou, tak aby došlo k zabránČní styku ližiny s vnČjšími neþistotami, zejména s vodou. Tyto pryžové ochrany jsou na soutČžním voze pĜipevnČny po stranách na pĜední ližinČ a podbČhu. Mezi pryžové ochrany lze zaĜadit i zástČrky umístČné za koly, které se nacházejí v podbČzích, pĜiþemž jejich úkolem je taktéž zachycení neþistot a vody.

BRNO 2013

17

^KhÊ|^dsZ//E

3 SOUýASNÝ STAV DRŽÁKU LIŽIN Souþasný držák ližin je tvoĜen svaĜovanou ocelovou trubkovou konstrukcí z materiálu 25CrMo4 (podle nČmecké normy). Konstrukce je složena z kvalitních bezešvých trubek, které jsou k sobČ pĜivaĜeny metodou TIG. Držák je pĜichycen ke karoserii vysokopevnostními šrouby na 4 místech. TĜemi šrouby je pĜipevnČn k podélníku karoserie a jedním šroubem k ližinČ. Na soutČžním voze jsou umístČny v pĜední þásti dva držáky ližin, a to na pravé a levé stranČ vozu. Držák je umístČn na spodní stranČ motorového prostoru. Vše je lépe vidČt na obrázku 4. Ze zkušeností ze soutČží a testování bylo usouzeno, že je držák zbyteþnČ pĜedimenzován. Dosud nikdy nepraskl, ani se jiným zpĤsobem nezdeformoval. Tyto skuteþnosti vedou ke snahám o snížení jeho souþasné hmotnosti a vytvoĜení jeho nových modifikací odpovídajícím aktuálním požadavkĤm kladeným na soutČžní vozy.

3.1 SLOŽENÍ

Obr. 4 Souþasný držák ližiny a jeho uchycení Popis þástí držáku ližiny: 1. Trubková konstrukce je složená z bezešvých trubek Ø 32 mm a tloušĢce 1,5 mm vyrobených z materiálu 25CrMo4. Svislé trubky jsou o Ø 40 mm a tloušĢce 2 mm. Na horní stranČ v pĜední þásti je pĜivaĜen plech o tloušĢce 1,5 mm. Plech slouží jako opČra mezi držákem a podélníkem. 2. Utahovací hrot slouží jako protikus pro uchycení k ližinČ. Je vysoustružen z materiálu 16MnCr6 (dle ýSN 14 220), uvnitĜ je závit pro šroub k uchycení s ližinou. 3. Vložka šroubu slouží pro zesílení plochy kolem šroubu, opČt vysoustruženo z materiálu 16MnCr6.

BRNO 2013

18

^KhÊ|^dsZ//E 4. PodpČrná vložka, podobnČ jako vložka šroubu, slouží k zesílení oblastí pro rozložení sil v místech nejvČtšího namáhání. Prvek je vysoustružen z materiálu 16MnCr6. 5. Závitová tyþ je vysoustružená þást s metrickým závitem, do kterého jsou uchyceny šrouby. 6. Vysokopevnostní šrouby M10x1.25-30 12.9 ýSN 02 4113 s válcovou hlavou a vnitĜním šestihranem.

3.2 UCHYCENÍ Jak lze vidČt v obrázku 4, u souþasné varianty je uchycení provedeno ve 4 místech (uchycení A je použito 2x). Všechny úchyty jsou provedeny podobným zpĤsobem pĜes navaĜený úchyt v trubce. Uchycení je zaznaþené v obrázku 4: A. Uchycení z horní strany pĜes šrouby, držák je pĜipevnČn k podélníkĤm karoserie pĜes vysokopevnostní šrouby M10x1.25-30 12.9 ýSN 02 4113 s válcovou hlavou a vnitĜním šestihranem (pozice 6). B. Uchycení zepĜedu opČt pĜes závitovou tyþ k výstupkĤm od podélníkĤ. Tento šroub je pĜipevnČn þelnČ a slouží pouze k smČrovému upevnČní držáku. C. Uchycení ližiny k držáku zajišĢuje utahovací hrot (pozice 2, do které je uchycen šroub spojující ližinu s držákem). K uchycení je využito vysokopevnostního šroubu M12x1.5-22 12.9 ýSN 02 4113 s válcovou hlavou a vnitĜním šestihranem.

3.3 HODNOCENÍ SOUýASNÉ VARIANTY Souþasná varianta byla analyzována pomocí programu Ansys Workbench. Na obrázcích lze vidČt deformaci a napČtí pĜi pĤsobení 10g. PĜetížení je zastoupeno zátČžnou sílou, která bude popsaná pozdČji. Z dĤvodu usnadnČní porovnatelnosti jednotlivých variant, budou tyto varianty hodnoceny stejným zpĤsobem.

Obr. 5 Souþasná varianta držáku dle analýzy von-Mises

BRNO 2013

19

^KhÊ|^dsZ//E Z výsledku lze zjistit, že daný držák by nevyhovČl v opČrném plechu, který se opírá o podélník. V tomto místČ dosahuje napČtí až 1 396 MPa, pĜiþemž mez pevnosti je u tohoto materiálu 765 MPa. Hodnoty ve špiþkách napČtí nemusí být zcela správnČ pĜedevším z dĤvodu, že se pohybujeme daleko v nelineární oblasti zátČžné charakteristiky materiálu, kde jsou charakteristiky definovány. Protože se napČtí na zbylých þástech držáku pohybuje do 600 MPa, lze oznaþit zbytek držáku za vyhovující. I pĜes tyto nepĜíznivé výsledky se nikdy držák nedeformoval ani nepraskl, pĜetížení 10g je možná nadsazeno, ale cílem bude zkonstruovat držák, který s jistotou bezpeþnČ odolá i tČmto pĜetížením v celé konstrukci držáku.

Obr. 6 Souþasný držák ližiny - deformace

BRNO 2013

20

^KhÊ|^dsZ//E 3.3.1 HODNOCENÍ SOUýASNÉHO UCHYCENÍ DRŽÁKU V této kapitole budou zhodnoceny únosnosti šroubových spojení u stávající používané variantČ držáku. Z tohoto hodnocení bude opČt vycházet pĜípadná optimalizace šroubového spojení na novém držáku. STANOVENÍ TUHOSTI ŠROUBU V této kapitole je þerpáno se zdroje [6]. Stanovení tuhosti šroubu vychází z celkové tuhosti soustavy sériovČ Ĝazených pružin za pĜedpokladu, že materiál je lineárnČ pružný (závislostí mezi deformaci a silou je lineární) a pĜi zatČžovaní nedojde k pĜekroþení meze kluzu.

(1)

Zde platí:

Ĥá

(2)

(3)

Kde jsou: İ - pĜetvoĜení į - deformace E - model pružnosti S - prĤĜez šroubu l - délka šroubu Základní vzorec pro výpoþet tuhosti šroubu:

!

"

(4)

Kde jsou: kb - tuhost šroubu [kNÂmm-1] kt - tuhost závitové þásti [kNÂmm-1] kd - tuhost velkého prĤmČru šroubu [kNÂmm-1]

BRNO 2013

21

^KhÊ|^dsZ//E STANOVENÉ TUHOSTI ŠROUBOVÉHO SPOJE HORNÍHO SEGMENTU Všechny tyto výpoþty jsou sestaveny za použití zdrojĤ [6][7][8][9]. Držák je u stávající varianty uchycen na horní stranČ dvakrát (podle obr. 4 uchycení A) vysokopevnostními šrouby s válcovou hlavou a vnitĜním šestihranem M10x1,25-30 dle ýSN 02 1143. Kontrola horních šroubĤ

Obr. 7 RozmČrové parametry u horního šroubu Je dáno: PrĤmČr hlavy šroubu Velký prĤmČr šroubu TloušĢka dolního segmentu TloušĢka horního segmentu Modul pružnosti šroubu Modul pružnosti segmentu Délka šroubu Délka závitové þásti

#$%&& '$(&& $$)*)&& +,*)&& -$+$(./ -++(%./ 0 1(&& 02 1(&&

Délka sevĜení: 03 4$ ! 4+ ,*) ! $)*) +)55

(5)

Délka þásti šroubu bez závitu: 6 7802 1(81((&&

(6)

#9:;<=;>?@=@>>A>@B C 03 8 D +)8(+)&&

(7)

Podmínka pro upevĖovací þásti šroubu: 0 E 03 1( E +) FG HIHJ

BRNO 2013

22

^KhÊ|^dsZ//E PrĤĜez šroubu pro výpoþet napČtí (neboli redukovaný prĤĜez, podle nČhož se ocelové šrouby dimenzují): L OP ! OQ S L ,*$TT ! T*M%% S KC N R N R M + M + %$*+55S

(8)

Kde : '&,*$$T&& … stĜední prĤmČr závitu pro M10x1,25 'T*M%%&& … malý prĤmČr šroubu PrĤĜez vycházející z velkého prĤmČru: L O S L $(S K6 UT*)55S M M

(9)

Tuhost šroubu: $ $ C 6 KC K6 ! V C 6 C ! 6 KC 6 ! K6 C %$*+ UT*) +$( W +)U %$*+ ( ! UT*) +) 55

(10)

Šroub svírající souþástí má tedy tuhost X$+)UY&&8$. Stanovení tuhosti ve spojovaných souþástech Stanovuje se jako celková tuhost spojovaných sériovČ Ĝazených pružin. $ $ $ $ $ (11) ! ! [ P S Z \ Rozložení napČtí ve spojovaných souþástech je složité, nicménČ lze pĜedpokládat funkþní oblast ve tvaru dutého kužele. Výpoþet horní þásti dutého komolého kužele U válcové hlavy platí: ']', u oceli, litiny a hliníku platí:

^1(_

BRNO 2013

23

^KhÊ|^dsZ//E Tuhost spojované souþástí 1: P

(*)UUM L O a*bbcd eDfd g6haDfd e6h

i d eDfd e6haDfd g6h (*)UUM L +$( $(

H à*bbc

a*bbj*bekglhakelh

(12)

H à*bbj*bekelhakglhi W MT), 55 Výpoþet dolní þásti dutého komolého kužele PrĤmČr: mnS $*) O $*) $( $)55 Výška: 4S

03 +) $+*)55 + +

(13)

(14)

Tuhost spojované souþástí 2: PS

(*)UUM L S O a*bbco eDfo g6haDfo e6h

a*bbS*bebglhabelh

H à*bbc eD e6haD g6hi o fo fo (*)UUM L +(% $(

H à*bbS*bebelhabglhi W M$M1 55

Celková tuhost spojovaných souþástí $ $ $ P PS ! q Pp Pp P PS PS ! P MT), M$M1 M$M1 ! MT), W ++1% 55

(15)

(16)

Celková tuhost spojovaných souþástí horního spojení je 2 236 kNÂmm-1.

BRNO 2013

24

^KhÊ|^dsZ//E

PEVNOSTNÍ KONTROLA HORNÍHO ŠROUBU Použitý šroub M10x1,25-30 dle ýSN 02 4113 ZjištČno: osová síla šroubu (mČĜeno z MKP systému) osová síla šroubu (mČĜeno z MKP, v ose Z Ansysu)

rs+$T)UY /M,(MY

Kontrola šroubu n t ! + u +$T)U ! + M,(M 1$%U(W Kde: Mez kluzu pro materiál 12.9

(17)

v>$(T(w/*

Kontrola otlaþení závitu n (*+) xy (*+) $(T( +U(zu{ Dáno: StĜední prĤmČr závitu Maximální prĤmČr závitu

(18)

'+,*$T&& #$T*%MU&&

ŠíĜka mezikruží: | Obsah:

O } m $( } T*%MU (*%55 + +

~ L OS | +( L ,*$T (*% 1,(55S Tlak: G

n 1$%U( T$zu{ 1*,

(19)

(20)

(21)

Kontrola šroubu na tah: Dovolené napČtí pro spoj bez pĜepČtí utahovány v zatíženém stavu: D2 (*% xy (*% $(T( %MTzu{

(22)

Obsah:

(*)UUM L OZ S FS M (*)UUM aL T*M11S h M )%55S Kde: Nejmenší prĤmČr závitu '1T*M11&&

BRNO 2013

(23)

25

^KhÊ|^dsZ//E # :>9I@B n 1$%U( C )%+zu{ FS )%

(24)

Žádná hodnota nepĜekroþila mez pevnosti 1 080 MPa pro materiál tĜídy pevnosti 12.9. Šrouby jsou tedy vyhovující.

STANOVENÉ TUHOSTI ŠROUBOVÉHO SPOJE DOLNÍHO SEGMENTU Všechny tyto výpoþty jsou sestaveny s využitím zdrojĤ [6][7][8][9]. (na obr. 4 jde o uchycení C)

Obr. 8 RozmČry dolního šroubu U dolního segmentu je použit šroub M12x1,5-22 ýSN 02 1143 Dáno: #$T&& PrĤmČr hlavy šroubu Velký prĤmČr šroubu '$+&& TloušĢka dolního segmentu $M&& TloušĢka horního segmentu +$$*)&& Modul pružnosti šroubu -$+$(./ Modul pružnosti segmentu -++(%./ Kontorola šroubového spoje Délka sevĜení: 03 4$ ! 4+ $$*) ! M $)*)55 Dáno:

BRNO 2013

(25)

Délka šroubu 0 ++55 Délka závitové þásti šroubu 02 ++55 (voleno dle literatury)

26

^KhÊ|^dsZ//E Délka þásti šroubu bez závitu:

6 7802 (

(26)

Délka závitu nacházejícího se v sevĜení:

:7.8:'$)*)8($)*)&& Podmínka pro upevĖovací þásti šroubu:

(27)

0 E 03 ++ E $)*) FG HIHJ

PrĤĜez šroubu pro výpoþet napČtí (neboli redukovaný prĤĜez, podle nČhož se ocelové šrouby dimenzují): L OP ! OQ S KC N R M + (28) L $$*(+% ! $$*$%( S N R M + ,%55S Kde: pro šroub M12x 1,5-22 platí: malý prĤmČr šroubu '$$*$%(&& stĜední prĤmČr šroubu '&$$*(+%&& PrĤĜez vycházející z velkého prĤmČru: L O S L $+S K6 $$155S M M

(29)

Tuhost šroubu: VS

d

d

BRNO 2013

!

d

" d "

KC K6 KC 6 ! KC C

,% $$1 +$( ,% ( ! ,% $)*) W $)1(*,% 55

(30)

27

^KhÊ|^dsZ//E Stanovení tuhosti ve spojovaných souþástech Vycházeno z:

$ $ $ $ $ ! ! [ P S Z \

(31)

$ $ $ C 6 ! q C V C 6 C ! 6 KC K6 KC 6 ! KC C ,% $$1 +$( ,% ( ! ,% $)*) W $)1(*,% 55

(32)

Horní þást dutého komolého kuželu OpČt platí u válcové hlavy ']', u oceli, litiny a hliníku s uhlem

^1(_

PrĤmČr hlavy: Výška:

4

mn m $)55 03 $)*) U*)55 + +

(33)

Tuhost spojovaných souþástí: P

(*)UUM L O a*bbcd eDfd g6haDfd e6h

H à*bbc

(34)

i (*)UUM L +(% $+

d eDfd e6haDfd g6h

a*bb*bebgShaSelh

H à*bb*bebeShaSglhi W M$U$ 55 Druhá þást spojovaných souþástí PrĤmČr: mnS $*) O $*) $+ $T55

BRNO 2013

(35)

28

^KhÊ|^dsZ//E Výška: 4S

03 $) U*)55 + +

(36)

Tuhost spojovaných souþástí: (*)UUM L S O

PS

a*bbco eDfo g6haDfo e6h

H à*bbc

(37)

i (*)UUM L +(% $(

o eDfo e6haDfo g6h

a*bb*bebglhabelh

H à*bb*bebelhabglhi W %TUT 55 Celková tuhost spojovaných souþástí: $

Pp

$

P

!

$

PS

q P

+),U

W 55

P PS PS ! P

(38)

Pevnostní kontrola šroubu Použitý šroub M12x1,5-22 dle ýSN 02 1143 ZjištČno: Osová síla šroubu; urþena v MKP PĜíþná síla; urþeno mČĜeno v MKP,z Z Ansysu

rs1T(((Y /(Y

n t ! + u 1T((( ! + ( 1T(((W Kde:

(39)

Mez kluzu pro pevnostní tĜídu 12.9 v>$(T(w/

Kontrola otlaþení závitu: uD (+) xy (*+) $(T( +U(zu{ Poþet þinných závitu: |P $) ~ $) F $

BRNO 2013

(40)

(41)

29

^KhÊ|^dsZ//E ŠíĜka mezikruží: O } m $+ } $(*1%U | (*T55 + + Kde: maximální prĤmČr závitu

(42)

#$$(*1%U&&

Obsah: ~ L OS | +( L $$*(+% (*% M+M*+55S Kde: stĜední prĤmČr závitu Tlak: G

(43)

'+$$(+%&&

n 1T((( T,zu{ M*+

(44)

Kontrola šroubu na tah: Dovolené napČtí pro spoj bez pĜepČtí utahovány v zatíženém stavu: D2 (*% xy (*% $(T( %MTzu{

(45)

Obsah dĜíku: (*)UUM aL OZ S h FS M (*)UUM aL $(*$%(S h M T$55 Kde: Nejmenší prĤmČr závitu

(46)

'1$(*$%(&&

YI@B n 1T((( C M%Tzu{ FS T*$

(47)

Žádná hodnota nepĜekroþila mez pevnosti 1 080 MPa, šrouby jsou tedy vyhovujicí. Poslední uchycení je pĜední vrchní šroub (v obrázku 4 uchycení B). Slouží pouze jako zajišĢovací pro boþní síly, jelikož je pĜedpokládáno se zátČžným stavem s osy z. Tento šroub není podstatnČji zatČžován a ani není zde analyzován. Všechna uchycení jsou vyhovující, tudíž nebudou mČnČna v nových variantách.

BRNO 2013

30

^KhÊ|^dsZ//E

3.4 HODNOCENÍ DRŽÁKU PěI RģZNÝCH ÚHLECH NÁRAZU ZátČžné stavy jsou voleny tak, aby držák byl bezpeþný pro všechny úhly nárazu. NicménČ je zde provedeno hodnocení stávajícího držáku pro zátČžnou sílu pĤsobící zepĜedu. Síla byla stanovena o velikosti cca 10% z celkové síly, tedy o velikosti 4 000 N.

Obr. 9 UpevnČní a síly pro analýzu pĜi rĤzných úhlech

Obr. 10 Souþasná varianta dle analýzy s redukovaným napČtím von-Mises

Z analýzy lze zjistit, že držák pĜi pĤsobení síly zepĜedu je ve všech þástech zcela vyhovující.

BRNO 2013

31

1>EKs,KZ
4 CÍLE A VLASTNOSTI NOVÉHO DRŽÁKU Hlavním cílem je zkonstruovat držák s co nejnižší hmotností, ale zároveĖ s požadovanou tuhostí. TČžištČ v tomto pĜípadČ není potĜeba Ĝešit - je až druhoĜadé.

POŽADAVKY Požadavkem konstrukce je, aby pĜi nárazech byly síly vedeny do nejtužších míst karoserie. Optimální je smČrovat síly do uchycení tlumiþe, protože tato þást karoserie je pĜedevším díky svému zesílení nejtužší. Toto místo rovnČž eliminuje pĜenášené síly pĜicházející zejména od kol pĜes pružiny a tlumiþe. V podobné poloze jako držák ližin, je i uchycení motoru. Nad tČmito držáky je umístČna vzpČra pro zajištČní co nejvČtší tuhosti. Síly pĤsobí pĜi rĤzných typech jízdních režimĤ jako je brzdČní, rozjezd, prĤjezdy zatáþkami. I když je toto místo naddimenzováno pĜedevším pro zatČžovací síly od tlumiþĤ vozidla, má i pĜípadný pĜenos sil od držáku ližin eliminovat bez pĜípadných deformací.

Obr. 12 Zástavbové umístČní souþasného držáku

BRNO 2013

32

DdK/
5 METODIKA PRO NÁVRH DRŽÁKU 5.1 VYUŽITÉ PROGRAMY Konstrukce je po zjištČní všech parametrĤ nutno navrhnout v 3D konstrukþním programu. Mezi nejþastČji využívané programy pro tyto konstrukce patĜí Catia, ProEngineer, Solidworks popĜípadČ Inventor. Z dĤvodu rychlejší modifikace pĜi pĜípadné potĜebČ úpravy návrhu byl v následující þásti práce využit program Catia. 5.1.1 KONSTRUKýNÍ PROGRAM CATIA V5 Pro práci namodelovaní konstrukce je využito konstrukþního 3D programu Catia konkrétnČ verze V5. Tento program je jedním z nejvyužívanČjších programĤ v automobilovém prĤmyslu. Disponuje znaþným množstvím modulĤ, od konstrukþního návrhu pĜes analýzy, až po moduly umožĖující tvorbu technické dokumentace. V mém pĜípadČ bylo využito pĜedevším modulu Sketch, Part Designed, GenerativeShape Design, Assembly Design a Sheet Metal Design. Základem byl modul Sketch. Jedná se o skicáĜ pro vytvoĜení z 2D geometrie, z nichž lze dále vytváĜet nejrĤznČjšími kroky 3D geometrie (napĜíklad vytažením). V modulu Part design bylo pĜedevším využíváno Sketche, kde nejþastČji byly plochy z 2D vysunuty (pĜíkazem Extrude) na požadovanou délku, v tomto návrhu zejména u trubek, nebo þtvercových profilĤ. Dalším využívaným modulem je Sheet Metal Design. Tento modul se používá pĜedevším pro plechové þásti, které budou ohýbány pĜi výrobČ. Tento modul disponuje možností rozvinu, tedy namodelovanou souþást je možno namodelovat v již koneþném ohýbaném stavu s definovanými rádiusy. Výstupem je po zadání tloušĢky materiálu plnČ rozvinutý plošný tvar, který má v sobČ zapoþteno rovnČž prodloužení materiálu po ohybu. Tento rozvin zajišĢuje správné vysekání, popĜípadČ vypálení laserem. Po tČchto operacích se daný plechový díl ohýbá na požadované rozmČry. Pro modelování ploch se využívá modul Generative Shape Design. Zde byly vytvoĜené þásti, i když není tento modul primárnČ urþen pro tyto operace, seĜezávány na koneþné délky pod úhlem. Výstupy z pĜedchozích modelĤ lze dohromady sestavit v modulu Assembly Design. Zde je možno jednotlivé þasti vazbit vĤþi ostatním, popĜípadČ umístit je na základČ souĜadného systému. Program Catia v základu ukládá výstup v generativním formátu .part. Dá se Ĝíci, že je to ve vČtšinČ pĜípadĤ uzavĜený objem. V tomto pĜípadČ je využíváno ve formátu Product, což je sestava nČkolika dílĤ na sebe návazných pĜíslušnými vazbami. Tak jako u všech konstrukþních systémĤ je i zde vhodné využít možnosti sestrojit pouze jednu stranu a druhou ozrcadlit podle roviny symetrie. PĜestože nabízí jeden z modulĤ v Catii MKP analyzátor, byl daný konstrukþní návrh dále pro analýzu exportován do programu Ansys Workbench. Nutností je pĜevést celou sestavu na výmČnný obecný datový formát (s pĜiponou .igs, .stp, .sat).

BRNO 2013

33

DdK/
POSTUP PRÁCE: Po spuštČní AnsysWorbench je v pracovním prostĜedí nutné nejprve definovat jednotky, se kterými se bude pracovat. Volil jsem rozmČry v mm. V dalším kroku už je možno se vČnovat samostatné geometrii. Zde je možnost namodelovat souþást pĜímo v prostĜedí Workbench pomocí parametrického modeláĜe, popĜípadČ možnost naþtení CAD dat ze souboru. Byla zvolena druhá možnost volbou File/Import external geometry. Byla naþtena geometrie, vytvoĜená v programu Catia ve formátu *.igs. Po volbČ Generate je nutné ovČĜit, zdali je celá geometrie vytvoĜena v objemech (solid), protože by mohlo dojít k naþtení pouze v plochách (surface) a geometrický tvar by nemusel být v poĜádku. Po naþtení geometrie je vhodné jednotlivým dílĤm soustavy pĜiĜadit materiál. V knihovnČ materiálu je na výbČr velké množství materiálĤ, ale v tomto pĜípadČ je nutností zjistit materiálové charakteristiky materiálĤ, z kterých budou vyrobeny pĜíslušné díly. Volbou (Edit Material) je nutné zadat materiálové vlastnosti. Dalším krokem je kontrola návaznosti jednotlivých prvkĤ. K dispozici je klasická metoda spojení nebo Weld, kde je definováno pĜímo svaĜení geometrií. Nutností je rovnČž oznaþit dotykové plochy v kontaktu a pĜiĜadit vazbu, která bude simulovat pĜivaĜení. Jak již bylo zmínČno, podstatou Ansysu je výpoþet soustavy rovnic, které vychází z výpoþtové sítČ. Tu lze vytvoĜit v þásti Mesh. Ve vlastnostech je dále možno definovat rĤznou hustotu sítČ. Hustota ovlivĖuje pĜesnost výsledkĤ a dobu výpoþtu. Po nastavení velkosti prvkĤ sítČ se vytvoĜení sítČ potvrdí volbou Generate Mesh. V tomto kroku se velice þasto vyskytne chyba (In?Valid external geometry) díky nesprávnČ navázaným þástem. V tomto pĜípadČ je vhodné opravit celou geometrii v konstrukþním programu a celou sestavu poté znovu naþíst. Po naþtení je nutné opakovat všechny dĜíve zmínČné kroky až do doby, než bude celá geometrie v poĜádku. PĜi složitých konstrukcích se zmínČné chyby vyskytují þasto.

BRNO 2013

34

DdK/
Obr. 11 UmístČní okrajových podmínek

5.2 KRITÉRIA ZÁSTAVBY OMEZENÍ PĜi navrhování držáku je potĜeba se vyhnout již nemČnným þástem vozu, pĜedevším motoru, ale i dalším þástem jako jsou alternátor, uchycení pĜíslušenství aj. Uchycení je provedeno k podélníkĤm karoserie, které primárnČ slouží k uchycení motoru a dalšího pĜíslušenství. Protože je podélník letmo uchycen ke karoserii vozidla, není vhodné umístit úchytné þásti na nejzazší místa, a to pĜedevším z dĤvodu pĜenosu sil vznikajících napĜíklad pĜi skoku, kdy by mohlo dojít pĜi tČchto pĜetíženích k deformaci podélníkĤ, ne-li k jejich destrukci. Vzhledem k tomu, že je podélník pevnČ pĜivaĜen ke zbytku karoserie, byly by pĜípadné opravy velice nároþné nejen po finanþní stránce.

BRNO 2013

35

DdK/
TVAR PĜi konstrukci tvaru držáku je vhodné zachovat, popĜípadČ se pĜiblížit umístČní uchycení, které odpovídá stávající variantČ. U tČchto upevĖovacích bodĤ byla ve stávající variantČ již ovČĜena jejich dostateþná tuhost pĜi deformaci.

5.3 ZÁTċŽNÉ STAVY Pro návrh držáku je použit zátČžný stav obsahující všechny smČry zatížení pĤsobící na držák. Hodnoty jsou zjištČny shrnutím mnohaletých výsledkĤ testování nejen pĜi soutČžích. Na základČ konzultací se zamČstnanci ŠKODA AUTO a.s., oddČlení Motorsport a s vedoucím diplomové práce, byla zatížení poþítána nikoliv pro pĜetížení 7g stanovené zadáním diplomové práce, ale byla ještČ navýšena na hodnotu 10g. Pro zátČžný stav je definováno: z $( $1T) (*)) ,*T$ $( ,*T$ UMU+%W

(48)

Kde : Mc - Hmotnost vozu s posádkou [kg] Ș - PomČr váhy na pĜední þást vozu [-] g - Gravitaþní zrychlení [m/s2] Celkový zátČžný stav je ale nutno rozdČlit na dva držáky (levý a pravý), pĜiþemž tedy platí: UMU+% (49) 1U1%1W + + Všechny analýzy tedy vychází z tohoto zatížení se zaokrouhlením velikosti síly na 38 000 N.

BRNO 2013

36

6 KONSTRUKýNÍ ěEŠENÍ 6.1 VOLBA MATERIÁLU Materiál pro vlastnosti držáku je jedním z hlavních faktorĤ. Požadavkem je dosáhnout velké tuhosti pĜi co nejmenší hmotnosti, vþetnČ snadné svaĜitelnosti. Dané požadavky pro aplikaci v motorsportu splĖují pĜedevším tyto materiály: Ͳ Ͳ Ͳ

chrom-molybdenová ocel 25CrMo4, 15CdV6, mangan chromová ocel16MnCr5.

6.1.1 CHROM-MOLYBDENOVÁ OCEL 25CRMO4 Chrom-molybdenová ocel je materiálem využitým v souþasné variantČ držáku. Jedná se nejrozšíĜenČjší ocel pro bezpeþnostní konstrukce v motosportu a to zejména pro ochranné rámy. Materiál je s obsahem 2,5% Cr a 0,4% Mo. Tato ocel vyniká vysokou mezí kluzu v tahu a mezí pevnosti v tahu. Významným faktorem je cena, zejména v porovnání napĜ. se slitinami titanu. Mechanické vlastnosti a svaĜitelnost jsou velmi dobré – viz. [10]. Tab.1 Vlastnosti oceli 25CrMo4 Mez kluzu v tahu Rp0,2 695 MPa Mez pevnosti v tahu Rm Tažnost Tvrdost Modul pružnosti Hustota

765 MPa 18% 300-360 HB 210 000 MPa 7820 kg/m3

Trubky z oceli 25CrMo4 jsou nejþastČji v praxi svaĜovány metodou MIG/MAG v ochranné atmosféĜe Ar 82 % a CO2 18 % a mČdČným vinutím. 6.1.2 MATERIÁL 15CDV6 Dalším materiálem þasto využíván v motorsportu je 15CdV6 (francouzské oznaþení) / 1.7734 (nČmecké oznaþení), který se vyznaþuje vysokou pevností, a to minimálnČ 980 MPa, která je zaruþena i po svaĜování bez tepelného zušlechĢování. Tento materiál je þasto používán v leteckém prĤmyslu a v motorsportu na trubky. Tab. 2 Vlastnosti ocele 15CdV6 Mez kluzu v tahu Rp0,2 790 MPa Mez pevnosti v tahu Rm Tažnost Tvrdost Modul pružnosti Hustota

BRNO 2013

980 MPa 11 % 293-352 HB 203 000 MPa 7800 kg/m3

37

588 MPa 613 MPa 18,6 % 197 HB 206 000 Mpa 7850 kg/m3

6.2 VOLBA TRUBEK Podstatná þást držáku je vyrobena z trubek. Využívá se bezešvých trubek nejvyšší kvality. Tyto trubky je možné z výše uvedených materiálĤ vyrobit od tloušĢky 0,5 mm do 5 mm s délkami do 6 m. Tato nabídka je ovšem pro velkoodbČratelé. Nutné je respektovat nabídku dodavatelĤ, kteĜí nabízí pouze vybrané rozmČry uvedené v tabulce. Tab. 4 Možnosti výbČru polotovaru trubek (prĤmČr x tloušĢka; v mm) ϲǆϭ͕Ϭ ϭϬǆϮ͕Ϭ ϭϮǆϭ͕Ϭ ϭϮǆϮ͕Ϭ ϭϯǆϭ͕ϱ ϭϰǆϭ͕Ϭ ϭϰǆϮ͕Ϭ ϭϲǆϭ͕Ϭ ϭϲǆϭ͕ϱ

ϭϲǆϮ͕Ϭ ϭϴǆϬ͕ϴ ϭϴǆϭ͕Ϭ ϭϴǆϮ͕Ϭ ϮϬǆϬ͕ϱ ϮϬǆϭ͕Ϭ ϮϬǆϭ͕ϱ ϮϬǆϮ͕Ϭ ϮϮǆϭ͕Ϭ

ϮϮǆϭ͕ϱ ϮϮǆϮ͕Ϭ Ϯϱǆϭ͕Ϭ Ϯϱǆϭ͕ϱ ϮϱǆϮ͕Ϭ ϮϱǆϮ͕ϱ Ϯϴǆϭ͕Ϭ Ϯ͕ϴǆϭ͕ϱ ϮϴǆϮ͕Ϭ

ϯϬǆϭ͕Ϭ ϯϬǆϭ͕ϱ ϯϬǆϮ͕Ϭ ϯϬǆϯ͕Ϭ ϯϮǆϭ͕Ϭ ϯϮǆϭ͕ϱ ϯϮǆϮ͕Ϭ ϯϱǆϭ͕Ϭ ϯϱǆϭ͕ϱ

ϯϱǆϮ͕Ϭ ϰϬǆϭ͕Ϭ ϰϬǆϭ͕ϱ ϰϬǆϮ͕Ϭ ϰϬǆϯ͕Ϭ ϰϱǆϭ͕ϱ ϰϱǆϮ͕ϱ ϱϬǆϮ͕Ϭ ϰϱǆϰ͕Ϭ

6.3 OSTATNÍ PRVKY Ohýbané plechy používané pro podpČrné body lze zajistit z materiálu 25CrMo4 i 16CdV6, pĜiþemž jsou k dodání v tloušĢkách pro tuto aplikaci zajímavé 1 mm, 1,2 mm, 1,5 mm a 2 mm. Jak již bylo zmínČno pro potĜeby soustružených souþástí lze zvolit všechny materiály. Použití poté pro výrobu bude omezeno nabídkou.

BRNO 2013

38

EsZ,KsE
7

NAVRHOVANÉ KONSTRUKýNÍ VARIANTY

Po výše uvedených zkušenostech, zejména ze soutČží, bylo zjištČno, že souþasný držák lze vylepšit. V úvahu pĜichází tyto varianty: -

modifikace souþasné trubkové konstrukce zmenšením prĤmČru trubek, modifikace vynecháním nČkteré z trubek a pĜípadné zesílení zbývajících trubek, nová konstrukce za použití zcela nových prvkĤ.

Místa, která jsou pĜedimenzovaná lze modifikovat zmenšením prĤmČru trubek, popĜípadČ lze trubky zcela odstranit.

7.1 VARIANTY VYCHÁZEJÍCÍ ZE SOUýASNÉHO STAVU Jelikož souþasná varianta nikdy nepraskla ani se význaþným zpĤsobem pĜi nárazu nedeformovala, vznikl návrh modifikace vynechání nČkterých trubek. U zbývajících pak vznikla možnost tyto trubky zesílit tloušĢkou stČny nebo zvČtšením prĤmČru. Tento koncept byl navržen z dĤvodu zachování úchytných bodĤ, které jsou navrženy v optimálních místech. UmístČní je odzkoušeno pĜi rozkladu sil do nejtužších míst karoserie. Další možností modifikace je nahrazení trubek v místech, které nejsou v souþasné variantČ pĜíliš zatČžovány, trubkami s menším prĤmČrem. A zároveĖ by došlo i ke snížení hmotnosti, nicménČ za cenu snížení tuhosti. 7.1.1 VARIANTA 1 U souþasné verze lze vidČt, že je velice málo zatČžována nejzazší trubka smČrem ke kabinČ vozidla. V této verzi je tedy vynechána. Zachován je pouze základní trojúhelník. Touto úpravou je dosaženo hmotnosti 1 240 g.

Obr. 13 Varianta 1

BRNO 2013

39

EsZ,KsE
Obr. 14 Varianta 1 - deformace

Obr. 15 Varianta 1 dle analýzy s redukovaným napČtím von-Mises Z analýzy je patrné, že tato varianta nepĜichází vĤbec v úvahu, a to proto, že u vČtšiny þástí držáku bylo zjištČno napČtí nad 500 MPa s maximem dokonce 1 518 MPa.

BRNO 2013

40

EsZ,KsE
Obr. 16 Varianta 2

Obr. 17 Varianta 2 dle analýzy s redukovaným napČtím von-Mises

Obr. 18 Varianty 2 - von-Mises Tato varianta vychází uspokojivČ. Nutnosti dalších úprav je zamČĜení se na místa, kde se vyskytuje vyšší koncentrace napČtí. Problémem je však vysoká hmotnost, která dosahuje hodnoty 1 600 g.

BRNO 2013

41

EsZ,KsE
Obr. 19 Varianta 3


Obr. 21 Varianta 3 dle analýzy s redukovaným napČtím von-Mises Tato varianta byla nevyhovující hned v nČkolika oblastech. NapČtí zejména okolo úchytu se pohybovalo kolem mezi pevnosti. Tudíž je opČt nutné se zamČĜit na místa v blízkosti úchytu, kde napČtí dosahuje u von-Misses až 758 MPa.

BRNO 2013

42

EsZ,KsE
Obr. 22 Varianta 4


Obr. 24 Varianta 4 - deformace U této varianty jsou výsledky uspokojivé, hmotnost je snížena o 90 g. Zvýšené napČtí u zadního úchytu se jeví jako tvarový pĜechod, kde je nutné poþítat s tím, že v tomto místČ bude svar a tím dojde v tomto místČ ke zmenšení napČtí.

BRNO 2013

43

EsZ,KsE
7.2 VARIANTY S NOVOU KONSTRUKCÍ PĜi úpravČ stávajících variant bylo zjištČno, že jsou výsledky neuspokojivé. Proto je nutné se vydat cestou zcela jiné konstrukce držáku. Nový koncept držáku je možno zkonstruovat nejlépe zĜejmČ za použití þtvercových profilĤ. OpČt do úvahy pĜicházejí jen ty varianty, které splĖuji snížení hmotnosti a zvýšeni tuhosti. 7.2.1 VARIANTA 5 (S POUŽITÍM ýTVERCOVÉHO PROFILU) PĜi použití þtvercových profilĤ je velkou výhodou možnost zkombinovat þtvercové profily rĤzných rozmČrĤ. Je daleko jednodušší navázat þtvercový profil s širšími vnČjšími rozmČry s profily daleko menších rozmČrĤ. Lze tak lépe rozložit síly v jednotlivých þástech komponentu. Nevýhodou þtvercových profilĤ je však v porovnání s trubkami o stejné hmotnosti menší tuhost v ohybu. Tato navrhovaná varianta se od pĜedešlých variant liší pĜedevším spojením držáku jak v podélném, tak v pĜíþném smČru, aby bylo dosaženo optimálního rozložení sil na co nejvČtší plochu, což mĤže vést ke snížení tloušĢky profilu a hmotnosti. Ke spojení levého a pravého držáku je použito þtvercového profilu, což by mČlo vést, jak už bylo Ĝeþeno, k odolnosti pĜípadným nárazĤm nejen ze spodní, ale i z boþních stran, kdy by mČlo dojít k rozložení sil mezi obČ þásti držáku. ZároveĖ není potĜeba horního opČrného plechu. UmístČní þtvercových profilĤ držáku v takĜka kolmém smČru na podélníky mĤže sloužit mimo uchycení ližin také jako držák chladiþĤ. Použitím této varianty je docíleno znaþného snížení hmotnosti zpĤsobeného nahrazením dvou držákĤ, které jsou v tČsné blízkosti, jedním. Znaþným problémem u této varianty je však umístČní držáku k nejzazší þásti podélníku, kvĤli kterému by mohlo pĜi nárazu dojít k jeho deformaci. Z tohoto dĤvodu byla konstrukce þtvercových profilĤ doplnČna o trubky, þímž došlo k rozložení sil do vČtší plochy.

Obr. 25 Varianta 5

BRNO 2013

44

EsZ,KsE

Obr. 27 Varianty 5 - deformace Z výsledku lze vyvodit, že se napČtí na vČtšinČ držáku pohybuje v bezpeþných mezích. Je však potĜeba vyĜešit lokální problém v místČ uchycení s ližinou, kde dosahuje napČtí nebezpeþných hodnot, tedy navrhnout nČjakou výztuhu eliminující napČtí. Nakonec však bylo od tohoto kombinovaného držáku ližin a chladiþĤ odstoupeno. Velkým problémem je již zmínČná deformace držáku, která by mohla vést i k poškození chladiþe a následkem toho až k pĜípadnému odstoupení ze samotné soutČže. Z analýzy je rovnČž patrné, že þtvercové profily navrhnuté ve smČru zátČžné síly, i pĜes trubky vedené pod úhlem pĜenáší síly na nejzazší þást podélníku, což by opČt mohlo vést k jeho deformaci. V dalších variantách bude tedy snahou vést uchycení držáku k podélníkĤm ne v kolmém smČru, ale pod úhlem.

BRNO 2013

45

EsZ,KsE
Obr. 28 Varianta 6

Obr. 29 Varianty 6 - deformace

Obr. 30 Varianta 6 dle analýzy s redukovaným napČtím von-Mises Vzhledem k velké koncentraci napČtí, která by mohla vést k destrukci v pĜechodech mezi spojením trubek, je tato varianta považována za nevyhovující.

BRNO 2013

46

EsZ,KsE
Obr. 31 Varianta 7


Obr. 33 Varianta 7 dle analýzy s redukovaným napČtím von-Mises Z analýzy je zĜejmé, že neuspokojivé výsledky nejsou zapĜíþinČny rozevĜením trubek, a proto je nutné navrhnout uchycení ližiny výztuhou.

BRNO 2013

47

EsZ,KsE
Obr. 34 Varianta 8

VÝZTUHA A UCHYCENÍ Výztuha a uchycení pĜedstavují nejvíce namáhaná místa v celém držáku. Oproti stávajícímu držáku je navržen opaþný smČr kužele mezi držákem a ližinou. PĤvodnČ bylo uchycení kuželem smČrem dolĤ, nyní je uchycení kuželem smČrem nahoru. Je proto nutno pozmČnit i stavbu ližiny. Výztuha uvnitĜ obsahuje metrický závit pro šroubové spojení M10. V trubce držáku je vytvoĜen otvor pro snadné nabodávání této výztuhy k trubkám držáku.

Obr. 35 Výztuha

OVÁLNÁ TRUBKA PĜí hledání optimálního spojení mezi levou a pravou þástí držáku je navrhnuta oválná trubka. Tato trubka netypického prĤĜezu byla již v minulosti používána na pĜedchozích soutČžních vozidlech. Byla vybraná nejen pro svou tuhost. ZároveĖ je vhodná do prostorovČ stísnČných podmínek držáku svými zástavbovými rozmČry. NicménČ hlavním dĤvodem použití

BRNO 2013

48

EsZ,KsE
VARIANTA S POUŽITÍM MATERIÁLU 25CRMO4

Obr. 36 Varianta 8b - deformace

Obr. 37 Varianty 8b - von-Mises BRNO 2013

49

EsZ,KsE
VARIANTA S POUŽITÍM MATERIÁLU 15CDV6

Obr. 38 Varianty 8b - deformace

Obr. 39 Varianta 8b dle analýzy s redukovaným napČtím von-Mises Rozdíl mezi materiály z hlediska deformace je velice nepatrný, kdy se jedná pouze u deformace o rozdíl v setinách milimetrĤ. Maximální napČtí dosahuje 226,6 MPa. Pro snížení hmotnosti pĜichází v úvahu také zmČna prĤmČru trubek, popĜípadČ tloušĢky.

BRNO 2013

50

EsZ,KsE
Obr. 40 Varianta 9


Obr. 41 Varianta 9- deformace NapČtí u této varianty dosahuje maxima 295 MPa, což je pĜibližnČ dvakrát ménČ než mez pevnosti. Hmotnost této varianty je o 500 g nižší oproti pĤvodní variantČ.

BRNO 2013

51

EsZ,KsE
Obr. 42 Rozdíl mezi variantami 9 a 10


Obr. 44 Varianta 10 dle analýzy s redukovaným napČtím von-Mises Z výsledku lze vidČt, že daná úprava nemá témČĜ žádný vliv na napČtí a jelikož je tČžší, bude vhodnČjší variantou pĜedchozí verze. V této variantČ bylo dosaženo hmotnosti 2 489 g, což je úspora 453 g oproti souþasné variantČ. BRNO 2013

52

EsZ,KsE
7.3 SROVNÁNÍ NAVRŽENÝCH VARIANT V tabulce je uvedeno porovnání všech variant s uvedením nejdĤležitČjších hledisek, kterými jsou požadovaná hmotnost, napČtí a deformace pro zatížení silou 38 000 N. Pro rozdílné koncepce držáku je brán ohled i na poþet držákĤ, který je zapotĜebí pro uchycení pĜední ližiny na vozidlo. Tab. 5 Porovnání konstrukþních variant Varianta

Celková TloušĢka Poþet na Hmotnost Maximální Maximální hmotnost na trubek vĤz napČtí deformace Materiál dílu vozidle [mm] [mm] [-] [g] [MPa] [g]

Aktuální 25CrMo4

1,5

2

1 485

2 970

1 396

0,39

1.

25CrMo4

1,5

2

1 240

2 480

1 518

0,4

2.

25CrMo4

2

2

1 600

3 200

7 90

0,18

3

25CrMo4

1,5

2

1 280

2 560

7 68

0,1

4

25CrMo4

1,5

2

1 295

2 590

6 82

0,15

5

25CrMo4

1,5

1

3 226

3 200

1 401

0,59

6

25CrMo4

1,5

1

2 738

2 738

2 971

1,05

7

25CrMo4

1,5

1

2 876

2 876

1 051

0,5

8a

25CrMo4

1,5

1

2 950

2 950

226

0,1361

8b

15CdV6

1,5

1

2 952

2 952

226

0,1407

9

15CdV6

1

1

2 469

2 469

295,39

0,18

10

15CdV6

1

1

2 517

2 517

302,63

0,18

Z výsledkĤ vyplývá, že nejvhodnČjší konstrukcí je varianta 9, která má nejnižší hmotnost a je u ní dosaženo redukovaného napČtí HMH 295 MPa. Hmotnost je pĜedevším dána tloušĢkou trubek.

BRNO 2013

53

^s\KsE1:EKd>/s|,^d/

8 SVAěOVANÍ JEDNOTLIVÝCH ýÁSTI Všechny þásti držáku jsou k sobČ pĜivaĜeny. Z tohoto dĤvodu je nutné vybrat vhodnou metodu pro svaĜování. Pro svaĜování pĜichází k úvaze tyto metody: -

TIG svaĜování elektrickým obloukem v ochranné atmosféĜe inertních plynĤ, MAG svaĜovaní obloukovým svaĜováním tavící se elektrodou v ochranném plynu.

TIG (TUNGSTEN INERT GAS WELDING) „SvaĜování elektrickým obloukem v ochranné atmosféĜe inertních plynĤ je metoda, která se Ĝadí mezi obloukové svaĜování netavící se elektrodou v ochranných plynech. Tato metoda se Ĝadí k vysoce progresivním metodám zejména díky fyzikálním dČjĤm probíhajícím pĜi svaĜování. HlavnČ je pĜedevším urþena pro svaĜování vysokolegovaných materiálĤ a neželezných kovĤ, ale pouze v tloušĢkách materiálu od 0,5 do 5 mm, což je jedna z nevýhod této metody“. Použité trubky držáku ale tuto podmínku splĖuji. „Princip svaĜování netavící se wolframovou elektrodou je hoĜení elektrického obloku mezi wolframovou elektrodou a svaĜencem, kde na základČ pĜenosu elektrické energie dochází k natavení základního materiálu svaĜence. Tavící oblouk je chránČn ochranným inertním zdrojem plynu, který zabraĖuje vniknutí atmosférických neþistot do svarové láznČ.“[12]

Obr. 45 PĜíklad svaĜovaní metodou TIG [ 13] „Inertní plyn neboli neteþný plyn je druh plynu, který nereaguje s dalšími prvky. Plyn do místa svaĜování proudí a je usmČrĖován pomocí keramické hubice, kde nahrazuje atmosférický vzduch. SvaĜování metodou TIG se liší od jiných procesĤ obloukového svaĜování tím, že elektroda není „spotĜebovávána“. V pĜípadČ požadavku na pĜidání drátu do svaru se používá tzv. pĜídavný „studený drát“, který lze doupravovat buć ruþnČ, nebo mechanicky.“ [13]

BRNO 2013

54

^s\KsE1:EKd>/s|,^d/

MIG /MAG SVAěOVÁNÍ „Metoda obloukového svaĜování tavící se elektrodou v ochranném plynu využívá teplo elektrického oblouku mezi kontinuálnČ dodávaným drátem (elektrodou) a svaĜencem. BČhem tohoto procesu je odtavovaný drát pĜenášen do místa svaĜování. Roztavený drát a svarová lázeĖ je chránČna ochranným plynem. Ochranná atmosféra je dodávána výhradnČ externím zdrojem, a to zásobníkem plynu tlakové láhve nebo rozvod plynu.

Obr. 46 PĜíklad svaĜovaní metodou MIG/MAG[14] Mezi výhody patĜí vysoká svaĜovací rychlost, tedy i vyšší produktivita, nižší nároky na þištČní strusky.“[14] SVAěOVANÍ PRO POUŽITÉ MATERIÁLY NA ZVOLENÝCH KONSTRUKCÍCH Trubky z oceli 25CrMo4 jsou v praxi svaĜovány metodou MIG/MAG v ochranné atmosféĜe, kde je nutno jako pĜídavných materiálu Ar 82 % a CO2 18 % a mČdČného vinutí. PĜi návrhu svaĜovací metody je opČt doporuþeno vycházet z dosavadních zkušeností, kdy do tloušĢky stČn s 1,5 mm je vhodnČjší využít metodu MIG/MAG, popĜípadČ TIG, ale pĜi tenþích prĤmČrech jedinČ metodu TIG. Volba svaĜovací metody tedy pĜipadá pro navrhované varianty jedinČ na metodu TIG.

BRNO 2013

55

ZÁVċR

ZÁVċR Cílem diplomové práce bylo sestavení konstrukþního návrhu držáku ližiny rally vozu Škoda Fabia Super 2000. Práce byla vypracována ve spolupráci s továrním rallyovým teamem ŠKODA AUTO a. s., oddČlení Motorsport, ve kterém jsem mČl možnost pĤsobit jako praktikant v oddČlení karoserie. Návrh mČl nápomoci pĜi konstrukþních pracích na vývoji ochranných prvkĤ na aktuálním soutČžním voze, popĜípadČ na vývoji nČkterého z nových vozĤ, a to zejména na prvcích tykajících se ochranného krytu motoru, tj. pĜední ližiny. Výchozí analýzou pro návrh konstrukþních variant držáku byla analýza stávající varianty držáku ližiny pĜi zatížení vycházejícího z uvažovaného zrychlení 10 g, pĜedstavujícího zátČžný stav s pĤsobící silou o velikosti 38 000 N. Z tČchto hodnot dále vycházely rovnČž analýzy dalších variant. PĜestože u stávající varianty držáku nedošlo doposud k jeho deformaci þi dokonce prasknutí, analýza poukázala na možné problematické þásti držáku, kdy hodnota maximálního napČtí v horním podpČrném plechu vykazovala velmi vysoké hodnoty. Zbývající þásti držáku vþetnČ spojovacích šrobĤ lze však považovat za vyhovující. Mnou navrhované varianty vycházely ze stávající varianty držáku se zvýšenou pozorností zamČĜenou pĜedevším na problémová místa, nicménČ došlo k úpravám i v místech vykazujících nízké hodnoty napČtí, aĢ už díky zmČnČ rozmČrĤ použité trubky, nebo pĜímo jejím odebráním. VČtšina takto upravených variant vykazovala opČt velmi vysoké hodnoty napČtí, a to zejména pĜi odebrání nČkterých trubek. Navrhl jsem proto úplnČ novou konstrukci. Pro tuto konstrukci je charakteristické spojení mezi levou a pravou stranou držáku pĜíþkou z þtvercového profilu, þímž bylo dosaženo zmírnČní pĜípadných nárazĤ ze stran a rozložení napČtí mezi obČ strany držáku. Tento držák by mČl zároveĖ sloužit i jako držák chladiþĤ. Od této snahy však bylo následnČ odstoupeno, a to z toho dĤvodu, že by mohlo dojít pĜi nárazu k jejich poškození. Další zjištČnou problémovou úpravou bylo kolmé upevnČní držáku na podélník, které by mohlo vést až k jeho deformaci, protože by vČtšina sil smČĜovala do nejzazších míst letmo uchycených podélníkĤ. Po zvážení všech tČchto výhod a nevýhod byly zkonstruovány varianty, které lze oznaþit jako kompromis mezi variantami vycházejícími ze stávající varianty a z variant využívajících þtvercových profilĤ. PĜi návrhu konstrukce nového držáku bylo rovnČž pracováno s možností použít alternativnČ nové materiály, a to zejména ocel 15CdV6, jejíž vlastnosti umožĖují snížení tloušĢky hlavních trubek z 1,5 mm na 1 mm. Pozornost byla dále soustĜedČna zejména na úchyty k podélníkĤm, které nakonec zĤstaly pĤvodní. Jedinou zmČnou bylo pouze uchycení k ližinČ (spodní uchycení), kde došlo k úplnému obrácení kuželu oproti jeho pozici ve stávající variantČ. Dále bylo testováno provedení výztuh a trubek, které na tuto výztuhu navazují, nicménČ nebyl zjištČn významný vliv na prĤbČh napČtí a proto bylo využito výztuhy s nejnižší hmotností. Z konstrukþních variant navržených v této diplomové práci považuji za nejvhodnČjší variantu þ. 9. Tato varianta vykazuje hmotnost 2 489 g, což je o 490 g ménČ oproti stávajícímu stavu. PĜi hodnocení s použitím redukovaného napČtí von Mises bylo u této varianty zjištČno maximální napČtí 295 MPa, zatímco z hlediska deformace dosáhla maximální deformace hodnoty 0,18 mm. Menší nevýhodou této varianty je skuteþnost, že držák je v podstatČ jeden celistvý svaĜenec a pokud by došlo k jeho poškození pouze v urþitČ þásti, bylo by nutné vymČnit celý tento díl. K již zmínČnému snížení hmotnosti vedlo rovnČž použití spojení oválným profilem, které bylo využito i v jiných pĜedkládaných variantách. Velmi problematická je však dostupnost polotovarĤ s oválným profilem na trhu. Tento problém BRNO 2013

56

ZÁVċR

mĤže však být v pĜípadČ nutnosti vyĜešen nahrazením oválného profilu profilem þtvercovým. Bude však potĜeba následnČ zamČnit uchycovací plech mezi hlavními trubkami a pĜíþným spojením levé a pravé strany držáku. Celá konstrukce bude sice o poznání tČžší, avšak na prĤbČh napČtí nebude mít zmČna profilĤ podstatnČjší vliv.

BRNO 2013

57

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLģ

POUŽITÉ INFORMAýNÍ ZDROJE [1] FIA [online]. 2012 [cit. 2013-05-03] Dostupné z WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Mezin%C3%A1rodn%C3%AD_automobilov%C3%A1_fed erace [2] RATIBORSKÝ, P. SoutČžní automobily tĜídy Super 2000. Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta strojního inženýrství, 2011. 28 s. Vedoucí bakaláĜské práce Ing. Petr Hejtmánek. [3] Škoda Fabia S2000 [online]. 2012 [cit. 2013-04-22] http://new.skoda-auto.com/cs/motorsport/cars/fabia-s2000

Dostupné z

WWW:

[4] Ochrana podvozku [online]. 2012 [cit. 2012-12-21] http://old.autoklub.cz/acr/fasacr/radyfia/prilohaj/255a.pdf

Dostupné

z

WWW:

z

WWW:

[5] Servis Škoda [online]. 2012 [cit. 2012-04-04] http://www.ewrc.cz/ewrc/image_browse.php?id=30057

Dostupné

[6] VYMAZAL, R. TČhlice vozu kategorie Formule SAE, Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta strojního inženýrství, 2008. 110 s. [7] Výpoþty šroubových spojení [online]. 2012 [cit. 2013-03-22] Dostupné z WWW: http://old.uk.fme.vutbr.cz/kestazeni/5CK/prednasky/prednaska6.pdf [8] Šroubová spojení [online]. 2012 [cit. www.isstechn.cz/objekty/vypocty-sroubu.doc

2013-03-22]

[9] ýásti spojovací [online]. 2012 [cit. 2013-03-22] www.347.vsb.cz/files/kal01/skripta-castispojovaci.pdf

Dostupné

z

WWW:

Dostupné

z

WWW:

[10] Materiál 25CrMo4 [online]. 2012 [cit. 2013-04-19] Dostupné z WWW: http://dspace.upce.cz/bitstream/10195/34012/1/Dunovsk%C3%BDV_Bezpe%C4%8Dno stn%C3%AD%20r%C3%A1m_JK_2009.pdf [11] Materiál 16MnCr5 [online]. 2012 [cit. 2013-02-19] Dostupné z WWW: http://prirucka.bolzano.cz/cz/technickapodpora/techprirI/tycovaocel/ocelikcementovani/ 16MnCr5/ [12] SvaĜování TIG [online]. 2012 [cit. 2013-05-03] Dostupné z WWW: https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/4987/Sva%C5%99ov%C3%A1n%C3% AD%20oceli%20technologi%C3%AD%20PATIG.pdf?sequence=1 [13] TIG metoda [online]. 2012 [cit. 2013-05-03] http://automig.cz/o-svarovani/metody/tig-wig-plasmatig/

Dostupné

z

WWW:

[14] MIG metoda [online]. 2012 [cit. 2013-05-03] http://automig.cz/o-svarovani/metody/migmag-co2/

Dostupné

z

WWW:

BRNO 2013

58


SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLģ m

[kg]

hmotnost

f

[-]

souþinitel kluzného tĜení

dm

[mm]

malý prĤmČr šroubu

dr

[mm]

stĜední prĤmČr šroubu

g

[m/s2]

gravitaþní zrychlení

h1

[mm]

tloušĢka dolního dvojkužele

h2

[mm]

tloušĢka horního dvojkužele

kb

[N/m]

tuhost šroubu

kb1

[N/m]

tuhost šroubu

kb2

[N/m]

tuhost šroubu

km

[N/m]

tuhost spojovaných souþástí

km1

[N/m]

tuhost spojovaných souþásti

km2

[N/m]

tuhost spojovaných souþástí

kt

[N/m]

tuhost závitové þásti

lt

[mm]

délka závitové þásti šroubu nacházející se v sevĜení

ld

[mm]

délka þásti šroubu bez závitu

p

[Pa]

tlak

s2

[mm2]

obsah dĜíku

A

[%]

tažnost

Ad

[mm2]

prĤĜez vycházející z velkého prĤmČru

At

[mm2]

tažnost

At

[mm2]

prĤĜez šroubu pro výpoþet napČtí (redukovaný prĤĜez)

Dk1

[mm]

prĤmČr spodní þásti dvojkužele

Dk2

[mm]

prĤmČr horní þásti dvojkužele

E

[MPa]

modul pružnosti

FK

[N]

síla pro kontrolu šroubu

FO

[N]

síla osová

FZ

[N]

síla zátČžná na jedno místo

FZC

[N]

síla zátČžná celého vozu

H

[mm]

výška matice

H1

[mm]

šíĜka mezikruží

BRNO 2013

59


L

[mm]

délka šroubu

LG

[mm]

délka šroubu

Mc

[kg]

hmotnost vozu s posádkou

Re

[Pa]

mez kluzu v tahu

Rm

[Pa]

mez pevnosti v tahu

S

[mm2]

obsah hlavy šroubu

Ș

[-]

pomČr váhy na pĜední þást vozu

ıt

[Pa]

napČtí v tahu

ıDT

[Pa]

napČtí maximální dovolené v tahu

ERC

[-]

European Rally Championship

FEM

[-]

Finite Element method (Metoda koneþných prvkĤ)

FIA

[-]

Mezinárodní automobilová federace

IRC

[-]

Intercontinetal Rally Championship

MAG

[-]

svaĜovací metoda - MAG

MIG

[-]

svaĜovací metoda - MIG

MKP

[-]

Metoda koneþných prvkĤ

S2000 [-]

kategorie soutČží Super 2000

TIG

[-]

Tungsten Inert Gas Welding (SvaĜovací metoda TIG)

WRC

[-]

World Rally Championship - SvČtový pohár v rallyových soutČžích World Rally Championship -2 - SvČtový pohár v rallyových soutČžích – 2 - pro tĜídu Super 2000

WRC-2 [-]

BRNO 2013

60

TRUBKOVÝ DRŽÁK LYŽINY RALLY VOZU ŠKODA FABIA SUPER 2000

Recommend Documents