Ocenimo, v kolikšni meri končna zasnova zadostuje na začetku postavljenim kriterijem.
Skladnost meritve s simulacijo; na podlagi simulirane meritve togosti z napravo ocenimo, da specifike naprave vplivajo na meritev v dovolj majhni meri
Visoka togost; analitično in v simulaciji smo dokazali, da so obremenitve in pomiki naprave napram primarni strukturi zanemarljivi.
Čimvečja prilagodnost; naprava je zlahka prilagodljiva na različne širine vozil in tudi na različne položaje lukenj za vpetišča podvozja, saj lahko zlahka z vrtanjem popravimo položaje na ploščah. Edino, kar bi zahtevalo malo več dela (žaganje in novo varjenje), je prilagoditev na morebitno drugačno koničnost nosu.
Praktičnost; naprava se po uporabi razdre v kompaktne ali pa v le eno dimenzijo dolge kose, ki imajo veliko možnosti shrambe. Ima pa slabost visoke mase, kar bo zahtevalo več ljudi za varno montažo in demontažo.
Dostopnost materialov in cene; material in razrez kosov imamo krito v sponzorski pogodbi, zato ta kriterij ni težava. Varjenje opravimo sami, vijaki so pa splošno dostopni v katerikoli trgovini s strojniškim materialom (Merkur, Obi …)
Ugotovimo, da naprava v zadovoljivi meri izpolnjuje vse kriterije in je s tem pripravljena na izdelavo.
3.3. Eksperimentalni del
3.3.1. Nastavljanje preizkuševališča 3.3.1.1. Izdelava naprave
Vse komponente naprave bodo izdelane iz jeklenih plošč, narezanih z laserjem. V ta namen pripravimo DXF datoteke, pri tem upoštevamo tolerance laserja in sestava. Izdelamo jih s priročnimi utori in jezički, s katerimi lahko kose lažje pozicioniramo za varjenje in s tem bistveno skrajšamo čas dela.
Slika 34: Primer principa »Puzle« na kotniku
Metodologija raziskave
Kose zavarimo z MIG varilnim aparatom.
Metodologija raziskave
Slika 35: Izdelava varjencev
Cevi za povezovalne elemente kupimo v Merkurju, vijačni material pa v KAMM.
Metodologija raziskave
3.3.1.2. Sestavljanje preizkuševališča
V prvem koraku pripravimo kotnike in povezovalne elemente, torej izvrtamo luknje v cevi in jih zavijačimo skupaj.
Slika 36: Povrtavanje in sestavljanje cevi
Na faksu smo pridobili dve navadni merilni urici za merjenje pomikov. Izkazali sta težavo, da nimata nobenih mest oz. izvedb za pritrditev (navojev za vijake, utorov, magnetov …). V ta namen izdelamo nosilček oz. stojalce, ki prime urico na edinem nepomičnem mestu.
Izdelamo jo s pomočjo 3D tiskalnika.
Slika 37: Zasnova držala
Metodologija raziskave
Slika 38: Izdelano držalo
Urici z držali fiskiramo na raven kos pločevine in ju razmaknemo na primerno razdaljo, kar je za naši merilni mesti 290 mm.
Slika 39: Sestav merilnih uric
V nadaljnje razstavimo dirkalnik, to pomeni, odstranimo kolesa, pesta, obese, planetna gonila in vpetišča na vseh štirih vogalih. Dodatno je bilo potrebno še izvrtati luknjo na vsaki nosilni plošči za vode zavor, saj je spraznitev in odstranitev vodov bistveno bolj zahteven postopek.
Metodologija raziskave
Slika 40: Začetek razstavljanja podvozja
Površine pod nosilnimi ploščami zaščitimo pred praskami z lepilnim trakom.
Slika 41: Zaščita površin
Slika 42: Razstavljanje planetnih gonil
Metodologija raziskave
Po razstavljanju namestimo nosilne plošče. V vozilo namestimo še baterijo.
Slika 43: Nameščanje komponent
Nazadnje celotno konstrukcijo spustimo na povezovalne elemente in sprednjo podporo.
Metodologija raziskave
Slika 44: Popoln merilni sestav
Pri sestavljanju je prišlo do dveh sprememb načrtov, in sicer, kot je vidno iz slike 37, smo morali zaradi napake v izdelavi pladenj privariti na nosilec, to smo pa v naglici storili tako, da smo ga narobe obrnili, ampak to ni predstavljalo večjega problema,
Sestav merilnih uric podstavimo pod monokok s pomočjo nekaj klad in matic. Pri tem pazimo, da so tipala uric v osnovnem položaju nekoliko pomaknjena, saj se bosta tipali med meritvijo pomikali v nasprotne smeri.
Slika 45: Postavitev merilnih uric na monokoku
Slika 46: Postavitev merilnih uric na letvice
Nosilce na eni strani obremenjujemo z utežmi. Teh nam je uspelo pridobiti za 25 kg po korakih po približno 5 kg. Na drugi strani pa obremenjujemo z dvigalko, podstavljeno pod tehtnico, s katero merimo aplicirano silo.
Slika 47: Dodajanje sile z dvigalko
3.3.2. Postopek merjenja
Merjenje pričnemo tako, da celotno preizkuševališče spravimo v nevtralni položaj, t. j.
zagotovimo, da so sile v dvojici enake. Neenake so od začetka zaradi tega, ker je na enem od nosilcev nameščen pladenj, ki sam po sebi tehta 4,45 kg. To rešimo tako, da na dvigalki pred začetkom merjenja dodamo silo, ekvivalentno 4,45 kg. Tehtnico nuliramo, si zapišemo začetni položaj uric in začnemo z meritvami.
Metodologija raziskave
V prvem koraku dodamo po 5 kg mase na vsak nosilec in odčitamo vrednost meritve na uricah. V naslednjem koraku dodamo še 5,25 kg (takšne smo imeli uteži) in spet odčitamo vrednosti, tako delamo do 25 kg (ker smo imeli toliko uteži). Izvedemo obe metodi merjenja (z uricami na monokoku in na letvici). Meritve čim večkrat ponovimo, da zagotovimo ponovljivost in reprezentativnost rezultatov.
4. Rezultati
4.1. Predstavitev rezultatov
Rezultate meritev predstavimo v preglednicah. Togost izračunamo za vsak inkrement po formulah 3.1 in 3.2. Za metodo z uricami na monokoku je 𝐿12 = 290mm, za metodo z uricami pa 𝐿12 = 1800mm. Za obe metodi velja 𝑟 = 1200mm.
Stran / Masa na Preglednica 6: Rezultati meritev z uricami na monokoku
Stran / Masa na Preglednica 7: Rezultati meritev z uricami na dolgi letvici
Primer izračuna:
Rezultati
Poglejmo odvisnost togosti CT od apliciranega navora M.
Graf 2: Odvisnost navora M od CT za obe metodi
Opazimo, da so izmerjene vrednosti v našem področju bolj ali manj konstantne glede na apliciran navor.
4.2. Merilna negotovost
Izračunajmo standardno merilno negotovost tipa A vseh meritev po sledečih enačbah.
𝑥̅ = 1
Aritmetično srednjo vrednost meritev izračunamo po enačbi 4.1.
Na podlagi aritmetične srednje vrednosti izračunamo eksperimentalni standardni odmik po enačbi 4.2.
s(𝐶𝑇) = √(2843,8 − 3170,6)2+ (2979,2 − 3170,6)2+ ⋯
10 − 1 = 200,57𝑁𝑚
°
Standardna merilna negotovost tipa A je enaka eksperimentalnemu standardnemu odmiku povprečja s(CT) po enačbi 4.3.
4.3. Odstopek od simulacij
4.3.1. Odstopek od simulacije brez naprave
𝐸𝑅𝑅𝐵𝑁 =|𝐶̅̅̅ − 𝐶𝑇 𝑇𝐵𝑁|
𝐶𝑇𝐵𝑁 ∗ 100% =|3170,6 − 4767,6|
4767,6 ∗ 100% = 33,5%
4.3.2. Odstopek od simulacije z napravo
𝐸𝑅𝑅𝑁= |𝐶̅̅̅ − 𝐶𝑇 𝑇𝑁|
𝐶𝑇𝑁 ∗ 100% =|3170,6 − 4266|
4266 ∗ 100% = 25,7%
5. Diskusija
Eksperimentalna vrednost je od simulacij manjša zaradi več pomembnih razlogov.
Naštejemo lahko potencialne vire merilne napake v simulaciji in v eksperimentu.
5.1. Simulacija
Simulacija ima dva glavna vira odstopkov od eksperimenta.
1. Odstopki in napake v izdelavi: Končni izdelek primarne strukture oz. predvsem monokoka nikoli ni praktično popoln in brez napak. Razumeti je potrebno, da se je večina članov ekipe polaganja ogljikovih vlaken naučila prav na tem primeru – nihče ni profesionalni polagalec. Iz tega razloga bodo v monokoku vedno mesta z ogljikovimi vlakni s kvaliteto, ki je slabša od novih vlaken, zračni mehurčki zaradi nekvalitetnega polaganja oz. kar celotni predeli, ki so votli, kar smo že tudi našli na nekaterih ključnih mestih monokoka. Lahko je tudi spečen na manj primerni temperaturi itd. Še en pomemben faktor je tudi dejstvo, da se monokok izdela iz dveh simetričnih polovic, ki nista spojeni skupaj z nadaljnjim pečenjem, ampak sta obremenjevanja in robnih pogojev (t. j. vpetja) monokoka najbolj ključni dejavniki tovrstnih meritev. Že pri najmanjši spremembi mest apliciranega navora in zadnjega vpetja dobimo kar bistvene spremembe CT. Merjenje togosti dirkalnikov FS in drugih šasij na splošno ni striktno standardizirano, zato je zelo težko izbrskati kakšen enoten
»recept« za tovrstne meritve.
5.2. Eksperiment
Eksperiment ima primarni vir napak predvsem v občutljivosti celotnega preizkuševališča in dejanske vrednosti navora, s katerim obremenjujemo primarno strukturo. Uteži so stehtane na tehtnicah, ki so natančne le na nekaj desetink kilograma, isto tehtnico uporabljamo tudi pod dvigalko. Tla, na katera je bilo preizkuševališče postavljeno, niso povsem ravna, kar je zagotovo rezulatiralo v minimalnih, ampak po vsej verjetnosti zaznavnih pomikih celotne strukture. Ostale možne napake so v neenakomerno zategnjenih vijačnih zvezah, nenatančno postavljanje uteži na isto mesto, zvari potencialno slabše kvalitete in še kakšne možne izdelovalne napake. Upoštevati je tudi potrebno občutljivost celotnega preizkuševališča na zunanje tresljaje. Za primer, če je oseba med merjenjem že z malo težjim korakom stopila preblizu preizkuševališča , so se urice lahko za tresle v razponu tudi do 0,02 mm.
Pomembno je upoštevati tudi, da je zaradi že omenjenje občutljivosti simulacije zelo težko zadeti mesto apliciranega navora in položaj zadnjega vpetja točno enako, kot smo si določili v simulaciji. Posledična specifika naprave ima zagotovo nezanemarljiv vpliv na vrednosti meritev.
Pomembno je izpostaviti tudi, da bi v idealnem primeru izvedli še nekoliko več meritev za zagotovitev večje ponovljivosti.
6. Zaključki
V zaključni nalogi smo izvedli naslednja dela in prišli do sledečih zaključkov:
1) Določili smo metode in principe, s katerimi smo to storili 2) Postavili smo simulacijski model in njegove parametre
3) Izvedli smo meritve koeficienta togosti na simulacijskem modelu 4) Določili smo zahteve za napravo za eksperimentalno merjenje togosti 5) Zasnovali smo nekaj začetnih prototipov
6) Izdelali smo končni prototip in analitično in numerično dimenzionirali njegove komponente
7) Dimenzioniranemu modelu smo dodali končne podrobnosti in ocenili, v kolikšni meri naprava izpolnjuje zastavljene kriterije
8) Napravo smo montirali na dirkalnik in izvedli meritve 9) Eksperimentalne rezultate smo primerjali s simuliranimi 10) Predebatirali smo možne vire napak
Zaključno delo je doprineslo eksperimentalni način merjenja togosti dirkalnikov ekipe Superior Engineering in dodelalo in dopolnilo delo na simulacijah, s katerimi so se ukvarjali že kakšni drugi člani ekipe. Predstavlja osnovo za nadaljnje delo na podpročju zasnove in izdelave novih šasij, s katerimi želi ekipa posegati po najvišjih rezultatih.
Predlogi za nadaljnje delo
Z ekipo smo določili že več ciljev za nadaljnje delo na tem področju. Usmerjeni so predvsem v nadaljnjo analizo virov in obsega doprinosa merskih napak in izpopolnitev tako simulacijskih modelov kot tudi eksperimentalne naprave. V prihodnosti nameravamo še enkrat pomeriti dirkalnik Tabaluga z namenom pridobivanja več meritev in s tem boljše ponovljivosti. Pomerili bi tudi prejšnji (Svarog) in predprejšnji (Eldrax) dirkalnik z
pomagamo pregledati, kako posamezne odločitve glede oblike in uporabljenih materialov vplivajo na maso in togost in z eksperimentom lahko preverimo, kako blizu zadanim vrednostim smo prišli.
7. Literatura
[1] Analysis of Torsional Stiffness of the Frame of a Formula Student Vehicle. Dostopno na: https://www.longdom.org/open-access/analysis-of-torsional-stiffness-of-the-frame-of-a-formula-student-vehicle.pdf, [ogled: 20. 10. 2020]
[2] Methods to Determine Torsion Stiffness in an Automotive Chassis. Dostopno na:
https://www.researchgate.net/publication/260058492_Methods_to_Determine_Torsi on_Stiffness_in_an_Automotive_Chassis, [ogled: 21. 10. 2020]
[3] Design, Analysis and Testing of a Formula SAE Car Chassis. Dostopno na:
http://users.telenet.be/AudiR8/Chassis%202002-01-3300Design,%20Analysis%20And%20Testing%20Of%20A%20Formula%20Sae%2 0Car%20Chassis.pdf, [ogled: 21. 10. 2020]
[4] Design of a Twist Fixture to Measure the Torsional Stiffness of a Winston Cup Chassis. Dostopno na:
https://www.researchgate.net/publication/2320383_Design_of_a_Twist_Fixture_to_
Measure_the_Torsional_Stiffness_of_a_Winston_Cup_Chassis, [ogled: 21. 10.
2020]
[5] Design of a Formula Student race car chassis. Dostopno na:
http://www.mate.tue.nl/mate/pdfs/10019.pdf, [ogled: 21. 10. 2020]
[6] Development of a Test Stand for Determining the Torsional Rigidity of a Formula SAE Space Frame. Dostopno na:
https://www.semanticscholar.org/paper/Development-of-a-Test-Stand-for-Determining-the-of-Chambers
Rodr%C3%ADguez/75a37dfa3a401fc39b00262188ad590faa10f842, [ogled: 12. 4.
2021]
[7] Chassis Torsional Rigidity Analysis for a Formula SAE Racecar. Dostopno na:
https://deptapps.engin.umich.edu/open/rise/getreport?pid=104&fv=2&file=Chassis+
Torsional+Rigidity+Analysis+for+a+Formula+SAE+Racecar.pdf, [ogled: 5. 11.
2020]
[9] G. Čretnik: Numerična optimizacija togosti laminiranih kompozitnih struktur:
magistrska naloga Ljubljana, 2019
[10] B. Kraut: Krautov strojniški priročnik. Buča, Ljubljana, 2017 str. 135 – 136 [11] D. Seward: Race car design. PALGRAVE, London, 2014
[12] What are the Types of Elements Used in FEA? Dostopno na:
https://enterfea.com/what-are-the-types-of-elements-used-in- fea/?fbclid=IwAR007cVG4GIsJ5cH0rnE5B6MLB3_4-nJwHWrPr79jYNCqxPgH48RaRnGelw, [ogled: 1. 3. 2021]
[13] Formula Student Rules 2020. Dostopno na:
https://www.formulastudent.de/fileadmin/user_upload/all/2020/rules/FS-Rules_2020_V1.0.pdf, [ogled: 5. 10. 2020]
[14] Ekipa Superior Engineering Ljubljana: FSE20_SES_SI_Ljubljana_U_Car169. Arhiv ekipe, Ljubljana, 2020
[15] SDH Composites. Dostopno na: https://shdcomposites.com/, [ogled: 25. 1. 2021]
8. Priloga A
Priloga 1: Program v programskem okolju Wolfram Mathematica za poračun povesov