DE RIVO BALÁZS* okleveles gépészmérnök
DR. CZIGÁNY TIBOR* egyetemi docens, tanszékvezetõ
DR. GAÁL JÁNOS* egyetemi adjunktus
1. Bevezetés A kerékpározás napjaink legnagyobb tömegsportjai közé tartozik. A kerékpár azonban nem pusztán sporteszköz, hanem a világ számtalan pontján elterjedt, mint minden tekintetben környezetbarát közlekedési eszköz. Az elsõ izomerõvel hajtott jármûvet 1680-ban Stephan Farfler órásmester építette, aki deréktól lefelé béna volt. A mester háromkerekû jármûvét kézi hajtókarral, fogaskerék áttétellel hajtotta. A korabeli európai útviszonyok annyira rosszak voltak, hogy a jármû nem bizonyult hatékonynak, így nem terjedt el, és nem is fejlesztették tovább. 1817-ban Karl Friedrich Drais von Sauerbronn megépítette a velocipédet. Drais felismerte, hogy a gyalogos minden egyes lépésnél felemeli súlypontját, és ekkor fölösleges energiát használ fel. Az utca laza homokja, a murva, a kátyúk túl nagy gördülési ellenállás négy keréknek, így egynyomvonalú jármûvet tervezett. Kormányozható, kétkerekû, faszerkezetû jármûvével a tervezõ a Karlsruhe és Kehl közötti 50 km-es utat oda viszsza 4 óra alatt tette meg. Az elsõ pedálos kerékpárt 1839ben a skót Kirkpatrik Macmillan készítette, ami már a mai kerékpárok elõfutárának számít [1]. A XIX. század végére a kerékpár Európában és az Egyesült Államokban jól ismert közlekedési eszközzé vált. 1898-ban Dunlop az ún. ballongumis kerékpárral forradalmasította a kerékpárgyártást [2]. Üvegszállal erõsített kompozit ke-
1. ábra. Üvegszál-erõsített kerékpárváz 1963-ból *Budapesti
rékpárvázat már 1963-ban készítettek az Egyesült Államokban [3] (1. ábra). 2. Kerékpárvázak jelenleg alkalmazott szerkezeti anyagai, gyártástechnológiái Hagyományos kerékpár vázanyagok közé tartoznak az acél-, az alumínium ötvözetek és a szálerõsítésû szerkezeti anyagok. Az acél és alumínium vázak méretezés és gyártás szempontjából hasonlítanak egymásra, azonban a kompozit szerkezetû vázak mindkettõben eltérnek. Az acél vázak a legolcsóbbak és legegyszerûbbek közé tartoznak. Ezek kivétel nélkül hegesztett szerkezetek, azonban tömegük nagy, és további hátrányuk a gyenge korrózióállóság is. A jobb minõségû acél, illetve alumínium vázakat hidegen húzott hegesztett csövekbõl készítik, így tudják könnyebbé tenni a szerkezetet anélkül, hogy szilárdsága csökkenne. A vázak acél anyagát mangánnal, krómmal, nikkellel, molibdénnel vagy vanádiummal ötvözik. A legelterjedtebb a CrMo ötvözött acél (2. ábra). Ezek azonban nehéznek számítanak az alumíniumhoz képest, habár kifáradás szempontjából a legjobbak. Gyakran elõfordul, hogy a váz alsó és felsõ csöve, illetve a nyeregcsõ vagy a hátsó villa nem azonos ötvözõ tartalmú acélokból készül, de ilyenkor ügyelni kell az elektrokémiai korrózióra és a hegeszthetõségre.
2. ábra. A Kona amerikai kerékpárgyártó vállalat által kúpos csövekbõl készített CrMo ötvözetû kerékpár
Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Polimertechnika Tanszék
2004. 41. évfolyam, 3. szám
MÛANYAG
ÉS
GUMI
115
Kompozit terméktervezés
Új formájú polimer kompozit kerékpárváz tervezése és megvalósítása
Az alumínium vázakat magnézium, cink, és réz ötvözetekbõl készítik, ezek a 7000-es jelölésûek. A legelterjedtebb a 7005 ötvözet, amelyet még hõkezelésnek is alávetnek, mivel az alumínium hajlamos a kifáradásra. (1. táblázat). 1. táblázat. Az polimer kompozit és fém kerékpárváz anyagok mechanikai tulajdonságai σnyomó, MPa 550 830
τ, MPa
0,25 0,25
σhúzó, MPa 1000 1240
0,31 0,25
460 650
350 1100
270 380
UD-laminált, ϕ=60 tf%
E, GPa
G, GPa
ν
Üvegszál Szénszál Fém Al 7005 St (CrMo) 4130
45 132
4,4 6,5
72 210
27 83
40 62
E − rugalmassági modulusz, G − merevségi modulusz, ν − Poisson tényezõ, σhúzó − húzó szilárdság, σnyomó − nyomó szilárdság, τ − nyíró szilárdság
3. ábra. Egyedi geometriák, amelyek jól példázzák a kompozitok által a konstruktõrnek nyújtott szabadságot
pozit technológiával készült kerékpárváz látható a 3. ábrán, ellentétben a hagyományos kézi laminálással készült vázzal, ahol a kerékpárváz két „fél” héjból van összeragasztva. A kompozit szerkezetû kerékpárváz lehetõséget ad a legkülönbözõbb kerékpárváz geometria kialakításokra is [4]. Kompozit szerkezeti anyagokból azonban nem csak a hagyományostól eltérõ kerékpárvázakat készítenek. A klasszikus geometriát követõ kerékpárvázak gyártására több kompozit technológia is ismert. A klasszikus geometria fõ elõnye, hogy ideális esetben a csövek csak húzásra és nyomásra vannak igénybe véve. A rácsos modell alapján elmondható, hogy bennük hajlítónyomaték nem ébred. Ilyenkor tekercseléssel vagy fonatolással szénszállal erõsített csöveket gyártanak. A csöveket a már említett illesztékekhez ragasztják, de elõfordul, hogy csavarkötéssel rögzítik ezeket. A technológia fõ elõnye, hogy a hagyományos fém kerékpárvázakat gyártó vállalatoknak nem jelent túl nagy beruházási költséget az így gyártott kerékpárvázak elõállítása. A másik hagyományos geometriát alkalmazó technológia a titán vázakat optimalizálta úgy, hogy a csövek titán rétegének falvastagságát tovább csökkentik, belülrõl egy felfújható szilikon magra karbon szövetet, vagy unidirekcionális szálakat kézi laminálással rögzítenek, majd a szilikon magot a csõbe helyezve azt felfújják és nyomás alatt tartják, amíg a térhálósodás be nem fejezõdik.
A versenykerékpárok gyártói között jól ismertek a kompozit szerkezeti anyagok, a legelterjedtebbek karbon szállal erõsítettek. Hibrid boron/karbon szál felhasználásával készült az a kerékpárváz, amelynek tömege nem éri el az 1 kg-ot. Lance Armstrong, a TOUR DE FRANCE többszörös gyõztesének kerékpárváza többirányú prepreg szalagból készült, lehetõvé téve a mérnököknek a váz kialakítását egy fajlagos teljesítményjelleg-görbe alapján. Eredményképpen a vázat a kritikus pontokban bordákkal és csillapító elemekkel látták el, biztosítva a kerékpár hatékonyabb hajtását és jobb kanyarstabilitását. Gyártási technológiák közül a legelterjedtebb a tekercselés, de kézi laminálással is készülnek szálerõsítésû vázak. Az illesztéseknél alumínium, magnézium vagy polimer illesztékeket alkalmaznak. Hõre lágyuló polimer alapú kerékpárvázat poliamid mátrixba laminált szénszálból készítenek, falvastagsága változó, elõnye a hõre keményedõ kompozitokkal szemben, hogy újrahasznosítható. Elterjedt technológia, hogy a fém szerszámba a viaszos formaleválasztó fóliára több rétegben szénszövetet helyeznek, amelyet epoxi gyantával itatnak át rétegenként, azaz kézzel laminálnak. Ezt követõen egy felfújható szilikon magot helyeznek a szerszámüregbe, zárják a két szerszámfelet, a szilikon magot pedig felfújják meghatározott nyomással. 4. ábra. A kerékpáros átlagos antropometriai méretei Egy ilyen kom116
MÛANYAG
ÉS
GUMI
2004. 41. évfolyam, 3. szám
5. ábra. Néhány ötletrajz az elkészített 15 közül polimer kompozit kerékpárváz kialakításához
A technológiával nagyon magas követelményeket kielégítõ kerékpárváz készíthetõ, de igen drágán. 3. Tervezési irányelvek Munkánk során, a módszeres tervezés lépéseit követve elõször a feladatot pontosítottuk, ezt követte az ergonómiai méretezés, piackutatás, funkcióanalízis. Az antropometriai méretek felvételéhez modelleket hoztunk létre a [5, 6, 7] irodalmak felhasználásával (4. ábra). A méretek 18 és 64 év közötti európai férfira vonatkoznak. A követelményjegyzékben az elérendõ célokat és feltételeket dolgoztuk ki. A legfontosabb követelmények a polimer kompozit kerékpárvázzal szemben a kis tömeg, a rezgés-, illetve lengéscsillapítás, nagy szilárdság, hajtás közbeni kis deformációk. A kerékpár egyes alkatrészeit haladás során változó terhelések érik. Statikus terheléssel csak állandósult állapotban lehet méretezni. Nehezebb meghatározni azokat a változó vagy dinamikus igénybevételeket, amelyek olyan hatásokra ébrednek, mint a kerékpár haladása, hajtókar forgása, a fékezés, útegyenetlenségek, ugratás. Az ötletrajzok fõ koncepciója, hogy a geometria kihasználja a polimer kompozit szerkezeti anyagok elõnyeit, mint kis sûrûség, nagy fajlagos szilárdság, rugalmassági modulusz és nagyobb tervezõi formaszabadság. Acél vázaknál a váz több darabból áll, amelyek öszszekötése szinte kivétel nélkül hegesztési technológiával valósul meg. Kompozit szerkezetek integrálhatósága lényegesen jobb mint a fémeké, így a váz szerkezetét akár egy darabból is el lehet készíteni. Több alkatrész esetén ragasztott kötéseket alkalmazunk, az epoxi nem csak mátrixként, hanem ragasztóként is funkcionál a fém és a
polimer felületek kötésére. A tervezés során célul tûztük ki az egyszerû szerkezetet és a tetszetõs formát, ezért koncepcióvázlatainkban törekedtünk a váz egy darabból való elkészítésére (5. ábra). 4. Továbbfejlesztés A koncepciókat a követelményjegyzék alapján értékeltük. A legjobb három koncepcióról további ötletrajzokat mutatunk be, és ezt követõen választjuk ki a követelményeknek leginkább megfelelõ tervet. A többi kidolgozott kerékpárvázak elõnyös tulajdonságait sem hagyjuk figyelmen kívül, ezeket az ötleteket a három legjobb koncepció továbbfejlesztésénél felhasználjuk. A koncepciók pontosítása, és a szereléshelyes kialakítás végett CAD szoftverrel 3D-s modelleket készítettünk. A modellek egyben CNC megmunkálóközpontokkal is kompatibilisek, így a prototípushoz szükséges mag legyártható. A 6. ábra szemlélteti az ötletrajzok alapján készített 3D-s modelleket. Az értékelés alapján, az 1. modellre végeztük el a szilárdsági méretezést és készítettük el prototípust. 5. Szilárdsági méretezés A mechanikai modell megalkotásánál az optimális koncepció geometriai méreteit vettük figyelembe. A modell egy kéttámaszú gerenda (7. ábra). A kerékpárváz szilárdsági méretezésekor három különbözõ terhelést vizsgáltunk annak érdekében, hogy minél átfogóbb képet kapjunk a kritikus pontok helyzetérõl és a maximális feszültségekrõl. A terhelõ tömegeket a DIN 79100-2 kerékpárokra vonatkozó szabványból és a 16 és 64 év közötti európai férfiak testsúlyából számítottuk. Fontos megjegyezni, hogy a DIN 79100-2 szabványban rögzített tömegek tartalmaznak egy dinamikus biztonsági tényezõt, ezek figyelembevételével antropometriai adatokból és dinamikus biztonsági tényezõbõl számítottuk a súlyerõket. A kerékpárváz terhelésénél a hirtelen fékezést modelleztük.
6. ábra. A kiválasztott három legjobb koncepcióról készített 3D-s modellek
2004. 41. évfolyam, 3. szám
MÛANYAG
ÉS
GUMI
117
7. ábra. A kéttámaszú gerenda modell
Vizsgáltuk továbbá a DIN 79100-2 szabvány által leírt nyeregcsõ nagy tömeggel való terhelését. Figyelembe vettük a kerékpárvázra ható csavarást is. Jelentõs csavaró igénybevétel ébred, amikor a kerékpáros a nyeregbõl kiállva a vázat a függõleges síktól mért 15°-os szögben döntve hajtja a kerékpárt. Nem hanyagolható el a hátsó villa nyomó-igénybevétele sem, amelyet a hajtólánc húzása ébreszt. Az igénybevétel nagyságát WIPPERMAN kerékpár hajtólánc katalógusból határoztuk meg. Az erõt a középcsapágyazás adja át a hátsó villának, és a reakcióerõ a hátsó villasaruban ébred. Az igénybevételek meghatározásához a rögzített geometriai adatokat és terheléstípusokat vettük alapul. A kerékpárt dinamikus terhelésre méreteztük, mert a statikus igénybevétel lényegesen kisebb. A statikus modell igénybevételei akkor felelnek meg a dinamikus terhelésnél ébredõ feszültségeknek, ha a terhelõerõket egy ún. dinamikus tényezõvel szorozzuk. A dinamikus tényezõ meghatározásához rögzíteni kell, hogy a kerékpáros milyen magasról ugrat le, és a földet érés után súlypontját mennyire tudja lejjebb helyezni az ütközés csillapítása érdekében. A kerékpáros súlypontjának elmozdulását a 4. ábra alapján határoztuk meg, amely a kerékpáros átlagos antropometriai méreteit tartalmazza. A kerékpáros ugratás elõtt nyújtott végtagokkal, a földet érést követõen pedig hajlított végtagokkal áll a kerékpáron. A kerékpár nyereg alsó pozícióban helyezkedik el, hogy a kerékpárosnak elegendõ helye legyen súlypontjának lejjebb helyezéséhez. A váz legnagyobb igénybevétele a hajlítás. A legnagyobb hajlító feszültség ugratás esetén ébred, amikor is a kerékpár földet ér. A legtöbb váztörés ugratás, ütközés vagy hirtelen fékezés után szokott bekövetkezni. Az igénybevételi ábrák megalkotásánál az elsõ villa terheléseit nem tüntettük fel, mivel az késztermékként kerül beépítésre a homlokcsapágyazásba. A nyeregcsõ nagy tömeggel való terhelésének igénybevételi ábrái feltüntetett pozitív irányokkal a 8. ábrán láthatóak. Mért anyagjellemzõk alapján számítottuk és ellenõriztük az ébredõ maximális feszültségeket és lehajlásokat.
118
MÛANYAG
ÉS
GUMI
8. ábra. A nyeregcsõ nagy tömeggel való terhelésének igénybevételi ábrái
6. Anyagvizsgálat A kerékpárváz szilárdsági méretezése során meghatároztuk, hogy a szerkezetben mekkora maximális feszültségek ébrednek. A prototípusmodell elkészítéséhez és a gyártástechnika meghatározásához szükséges az alkalmazandó anyagtípus meghatározása. A kiválasztáshoz poliészter-üvegpaplan, poliészter-üvegszövet, unidirekcionális szénszállal erõsített epoxi és szénszövettel erõsített epoxi, azaz különbözõ anyagú és orientáltságú polimer kompozit próbatesteket készítettünk, és meghatároztuk azok szakítószilárdságát, illetve moduluszát. 7. Prototípusmodell Az 1:1-es méretarányú prototípusmodellt poliuretán habból készítettük el, mivel a PUR hab alacsony költsé-
9. ábra. A PUR habból kimart 1:1 -es méretarányú modell a CNC marógép asztalán
2004. 41. évfolyam, 3. szám
gû megmunkálást tesz lehetõvé. A modellt poliuretán táblából 5 szabadságfokú CNC marógéppel vágtuk ki (9. ábra). Az elkészült poliuretán mag azonban nem alkalmas a csapágyházak és a villasaruk hordozására, ezért az említett alkatrészeknél fa magok beragasztására került sor. A fa magokat a poliuretánhoz poliészter mûgyantával ragasztottuk, akárcsak az acél csapágyházakat a fa magba. 8. Összefoglalás Polimer kompozit kerékpárváz tervezéséhez elengedhetetlen a sporteszközöknél alkalmazott szerkezeti anyagok feltárása. Számos sporteszközt vizsgáltunk (hajótestek, horgászbotok, golfütõk), és az egyes szerkezeti anyagtípusokat párosítottuk azok optimális felhasználási módjával. Részletesen foglalkoztunk a fémszerkezetû és a polimer kompozit kerékpárok gyártásával, fejlõdéstörténetével, tulajdonságaival. A szakirodalom feldolgozása után, a módszeres tervezés lépéseit követve kezdtük el a kerékpárváz tervezését. Elsõ lépés a feladat pontosítása volt. Vizsgáltuk az emberi test antropometriai méreteit, a kerékpárváz igénybevételeit, ezekre modelleket állítottunk fel. Törekedve a kompozit szerkezeti anyagokban rejlõ lehetõségekre, 15 polimer kompozit kerékpárváz koncepciót alkottunk meg. Az elkészített ötletrajzokat a követelményjegyzék alapján értékeltük, és a három legjobb koncepciót tovább pontosítottuk. 3D-s virtuális modelleket készítettünk a részletesebb vizsgálat, illetve a gyártáshelyes kialakítás érdekében. A három továbbfejlesztett koncepcióból a mûszaki, ergonómiai és esztétikai szempontok alapján kiválasztottuk az optimális
2004. 41. évfolyam, 3. szám
megoldást, és elvégeztük a kerékpárváz szilárdsági méretezését. A kerékpárváz geometriai modellje alapján statikai modellt készítettünk. A szerkezetben ébredõ maximális feszültségeket dinamikus biztonsági tényezõ figyelembevételével számítottuk. A pontos anyagjellemzõk meghatározása érdekében kézi laminálással készítettünk próbatesteket, mert ez megegyezik a prototípus kerékpárváz gyártási technológiájával. Az üvegszál és szénszál erõsítésû próbatesteket szakítóvizsgálatnak vetettük alá, és meghatároztuk azok anyagjellemzõit. A szilárdságtani ellenõrzés és az anyagjellemzõk meghatározását követõen elkészítettük a kerékpárváz 1:1 méretarányú modelljét. Az elkészült kerékpárváz modell megfelel a követelményjegyzékben foglaltatnak, geometriájának köszönhetõen nagy szilárdságot biztosít és könnyû szerkezetû. Irodalomjegyzék [1] Parturi, F. R.: A technika krónikája, Officina Nova Kiadó, Budapest, 1997. [2] van der Plas, R.: Nagy mountain bike könyv, Frigoria, Budapest, 1995. [3] van der Plas, R.: The penguin bicycle handbook, Penguinbooks Ltd., Middlesex, England, 1986. [4] www.damonrinard.com/framebuild.htm [5] Pheasant, S: Body space, Taylor & Francis, London, 1988. [6] Daams, B. J.: Human Force. Exertion in user product interaction, 1994. [7] Friendly system Ltd.: People size Version 1.5 1994− 1996.
MÛANYAG
ÉS
GUMI
119
