Merjenje togosti primarne strukture dirkalnika Formule Student

(1)

Fakulteta za strojništvo

Merjenje togosti primarne strukture dirkalnika Formule Student

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje STROJNIŠTVO

Robert Glazer

Ljubljana, julij 2021

(2)

(3)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Merjenje togosti primarne strukture dirkalnika Formule Student

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje STROJNIŠTVO

Robert Glazer

Mentor: doc. dr. Miha Brojan

Ljubljana, julij 2021

(4)

(5)

Zahvala

V začetku bi se rad zahvalil svojemu mentorju Mihi Brojanu za sprejetje mentorstva, podporo, potrpežljivost in entutiazem nad zanimivo temo ter sposojeno opremo, s katero sem lahko opravil pomembne meritve tako za zaključno delo kot za nadaljni napredek pri konstruiranju dirkalnikov Formule Student.

Toplo bi se rad zahvalil svojim kolegom v ekipi Superior engineering, ki so me toplo sprejeli v medse in z mano delijo moj najljubši hobi in ki so mi pomagali najti temo za zaključno nalogo in mi jo na vsakem koraku z veseljem in pozitivno energijo pomagali izpeljati.

Na koncu bi se rad zahvalil staršem, punci in najbližjim prijateljem, ki so verjeli vame in me vso pot podpirali tako psihično, kot tudi finančno.

(6)

Izjava

(7)

Izvleček

UDK 629.3.02:539.3:004.94(043.2) Tek. štev.: UN I/1486

Merjenje togosti primarne strukture dirkalnika Formule Student

Robert Glazer

Ključne besede: Formula Student merjenje

primarna struktura togost

simulacija naprava

Za tekmovalno sezono 2020 smo pri ekipi Superior Engineering Univerze v Ljubljani zasnovali in izdelali dirkalnik za tekmovanja v seriji Formula Student. V tej sezoni smo si prvič v zgodovini ekipe zadali cilj analizirati in izmeriti togost primarne strukture dirkalnika Tabaluga. V ta namen smo pripravili simulacijski model primarne strukture v programu Abaqus in na njem simulirali najbolj tipično obremenitev, ki jo primarna struktura izkusi in s tem pridobili simulirano vrednost togosti. Po tem smo zasnovali napravo za eksperimentalno merjenje togosti, ki smo jo tudi pomerili na samem dirkalniku. Ugotovili smo, da je dejanska togost za približno 25-35 % manjša od simulirane, kar lahko pripišemo nekaterim izdelovalnim tehnikam primarne strukture in tudi natančnosti simulacijskega modela.

(8)

Abstract

UDC 629.3.02:539.3:004.94(043.2) No.: UN I/1486

Stiffness measurment of the primary structure of a Formula Student race car

Robert Glazer

Key words: Formula Student measuring primary structure stiffness

simulation rig

The team Superior Engineering of the University of Ljubljana has designed and manufactured a race car for competitions in the 2020 season of the Formula Student series.

In this season, we set a goal to analyze and measure the stiffness of the primary structure of the car Tabaluga for the first time in the history of the team. For this purpose, we prepared a simulation model of the primary structure in the simulation software Abaqus and simulated the most typical load case experienced by the primary structure and thus obtained a simulated stiffness value. This led to us designing a rig for experimental measurement of the stiffness and using it to test said stiffness. We found that the actual stiffness is about 25 - 35 % lower than the simulated counterpart, which can be mostly attributed to some manufacturing techniques of the primary structure as well as the accuracy of the simulation model.

(9)

Kazalo

Kazalo slik ... xi

Kazalo preglednic ... xiii

Kazalo grafov ... xiv

Seznam uporabljenih simbolov ... xv

Seznam uporabljenih okrajšav ... xvii

1. Uvod ... 1

1.1. Ozadje problema ... 1

1.2. Cilji ... 1

2. Teoretične osnove in predstavitev projekta ... 3

2.1. O Formuli Student ... 3

2.2. Osnove šasij dirkalnih vozil ... 5

2.2.1. Definicije ... 5

2.2.2. Vrste ... 5

2.2.3. Togost in masa ... 7

3. Metodologija raziskave ... 10

3.1. Primarna struktura ... 10

3.2. Metodologija merjenja ... 11

3.2.1. Princip merjenja ... 11

3.2.2. Simulacija ... 14

3.2.3. Prototipiranje merilne naprave ... 16

3.2.3.1. Prototip 1 ... 19

3.2.3.2. Prototip 2 ... 20

3.2.3.3. Prototip 3 ... 21

3.2.3.4. Prototip 4 ... 22

3.2.4. Dimenzioniranje ... 23

3.2.4.1. Sprednja podpora ... 24

3.2.4.2. Zadnja podpora ... 26

3.2.4.3. Nosilec ... 26

3.2.5. Končna zasnova ... 32

3.3. Eksperimentalni del ... 36

3.3.1. Nastavljanje preizkuševališča ... 36

(10)

3.3.1.1. Izdelava naprave ... 36

3.3.1.2. Sestavljanje preizkuševališča ... 41

3.3.2. Postopek merjenja ... 50

4. Rezultati ... 52

4.1. Predstavitev rezultatov... 52

4.2. Merilna negotovost ... 53

4.3. Odstopek od simulacij ... 54

4.3.1. Odstopek od simulacije brez naprave ... 54

4.3.2. Odstopek od simulacije z napravo ... 54

5. Diskusija ... 55

5.1. Simulacija ... 55

5.2. Eksperiment ... 56

6. Zaključki ... 57

7. Literatura ... 59

8. Priloga A ... 61

(11)

Kazalo slik

Slika 1: Dirkalnik Tabaluga na prvem testiranju v Logatcu ... 4

Slika 2: Primer varjene cevaste šasije ekipe Formul´UT ... 6

Slika 3: Monokok iz ogljikovih vlaken dirkalnika Svarog ekipe Superior Engineering ... 6

Slika 4: Hibridna šasija dirkalnika Griffin ekipe Superior engineering, povzeto po [8] ... 7

Slika 5: Prikaz longitudinalne torzije, najbolj pomembne vrste obremenitve na šasijo, povzeto po [9] ... 8

Slika 6: Primarna struktura dirkalnika ... 11

Slika 7: Idejna zasnova merjenja togosti ... 12

Slika 8: Shema merjenja pomika ... 12

Slika 9: Deformacijski trikotnik ... 13

Slika 10: Merjenje pomika z dolgo letvico ... 14

Slika 11: Prikaz točk obremenitev in vezav sestavnih delov ... 15

Slika 12: Prikaz obremenitev in robnih pogojev (oranžne puščice zadaj) ... 15

Slika 13: Deformirana oblika primarne strukture (faktor povečave 16x) ... 16

Slika 14: Primeri merilnih naprav ... 18

Slika 15: Prvi prototip naprave ... 19

Slika 16: Drugi prototip naprave ... 20

Slika 17: Tretji prototip naprave ... 21

Slika 18: Četrti prototip naprave ... 22

Slika 19: Dvojica sil, s katerima apliciramo navor ... 23

Slika 20: Analitično dimenzionirani sestavni deli ... 23

Slika 21: Sila na sprednjo podporo ... 24

Slika 22: Sila na zadnjo podporo ... 26

Slika 23: Diagram upogiba in prerez nosilca ... 28

Slika 24: Simulacija naprave s 750 mm profilom z debelino stene 2 mm ... 30

Slika 27: 3D model končne različice naprave z monokokom ... 32

Slika 28: Šablona za vrtanje lukenj v monokok ... 32

Slika 29: Pritrditev naprave na monokok ... 33

Slika 30: Podložke med ploščo in monokokom ... 34

Slika 31: Sestav zadnjih povezovalnih elementov ... 34

Slika 32: Ploščica na monokoku ... 35

Slika 33: Pladenj za uteži ... 35

Slika 34: Primer principa »Puzle« na kotniku ... 36

Slika 35: Izdelava varjencev ... 40

Slika 36: Povrtavanje in sestavljanje cevi ... 42

Slika 37: Zasnova držala ... 42

(12)

Slika 38: Izdelano držalo ... 43

Slika 39: Sestav merilnih uric ... 44

Slika 40: Začetek razstavljanja podvozja ... 45

Slika 41: Zaščita površin ... 46

Slika 42: Razstavljanje planetnih gonil ... 46

Slika 43: Nameščanje komponent ... 48

Slika 44: Popoln merilni sestav ... 49

Slika 45: Postavitev merilnih uric na monokoku ... 49

Slika 46: Postavitev merilnih uric na letvice ... 50

Slika 47: Dodajanje sile z dvigalko ... 50

(13)

Kazalo preglednic

Preglednica 1: Simulirana meritev togosti ... 16

Preglednica 2: Lastnosti nosilcev pri debelini stene 2 mm ... 30

Preglednica 5: Simulirana meritev togosti z napravo ... 35

Preglednica 6: Rezultati meritev z uricami na monokoku ... 52

Preglednica 7: Rezultati meritev z uricami na dolgi letvici ... 52

(14)

Kazalo grafov

Graf 1: Odvisnost torzijske togosti šasije od relativne togosti vozila, povzeto po [9] ... 9 Graf 2: Odvisnost navora M od CT za obe metodi ... 53

(15)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

M Nm navor

α ° kot

F N sila

r m ročica

g m s^-2 težni pospešek

u mm pomik

L mm razdalja

CT Nm/° koeficient togosti

m kg masa

λ / vitkost

i mm vztrajnostni polmer

I mm⁴ vztrajnostni moment

A mm² površina

β / koeficient vpetja

y mm poves

a mm širina

b mm višina

t mm debelina

s / eksperimentalni standardni odmik

uA / standardna merilna negotovost tipa A

N / število meritev

ERR % merilna napaka

D, d mm premer

υ / varnostni faktor

σ MPa napetost

Indeksi

dej dejansko

min minimalno

PR koncentrat

PL permeat

pvoz polovica

vozila

čvoz četrtina

vozila

p plošča

z z - os

(16)

dop dopustno

N z napravo

BN brez

naprave

T togost

(17)

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

FS Formula Student

SAE Zdrženje inženirjev avtomobilske industrije (ang. Society of automotive engineers)

FSG Formula Student Nemčija (ang. Formula Student Germany) CV Vozilo z notranjim izgorevanjem (ang. Combustion vehicle) EV Električno vozilo (ang. Electric vehicle)

DV Avtonomno vozilo (ang. Driverless vehicle)

SES Preglednica strukturne ekvivalnece (ang. Structural equivalency spreadsheet)

(18)

1. Uvod

1.1. Ozadje problema

Primarna struktura dirkalnika Formule Student (FS) je ključna komponenta v zasnovi dirkalnika in predstavlja osnovo oz. ogrodje za vse ostale sklope, kot so podvozje, pogon, zavorni sistem itd. Je tako rekoč nosilni del oz. hrbtenica celotnega bolida. Dobro zasnovana in dimenzionirana primarna struktura vpliva na celotno vozno dinamiko, in sicer s svojo maso, ki mora biti čim nižja, in s togostjo, ki pogojuje učinkovitost drugih sklopov in s tem tudi hitrost in zmogljivosti celotnega vozila. Glavna komponenta primarne strukture je šasija.

V FS so uporabljeni trije različni načini konstruiranja šasije. Najbolj preprosta in cenovno ugodna je varjena cevasta šasija (angl. spaceframe), ki se je pogosto poslužujejo ekipe z malo izkušnjami in nižjimi proračuni. Najboljše šasije v FS, oz. že v katerikoli dirkaški seriji, so monokoki iz ogljikovih vlaken, ki so sicer mnogo dražji in bolj zahtevni za izdelavo, a se pri primerljivi togosti odlikujejo z bistveno manjšo maso. Poznamo tudi hibride, to so šasije, ki so delno cevaste in delno monokok iz ogljikovih vlaken. Takšnih rešitev se poslužujejo ekipe z motorji z notranjim izgorevanjem, saj s polnim monokokom nastajajo težave pri hlajenju in tudi z dostopnostjo za servisiranje motorja.

Določanje mase primarne strukture je povsem trivialno, določanje togosti pa predstavlja nekoliko večji inženirski izziv, ki se ga do zdaj v naši ekipi še nismo povsem v celoti lotili.

Učinkovito določanje vrednosti togosti predstavlja pomemben pripomoček v nadaljnjem razvoju novih primarnih struktur oz. šasij, saj lahko konstrukter ta podatek uporabi kot pripomoček pri optimizaciji oblike in materialov. Morebitna odstopanja od teoretičnih vrednosti lahko razkrijejo tudi možne napake pri izdelavi.

1.2. Cilji

(19)

Eksperimentalne in teoretične vrednosti bomo primerjali in raziskali vire morebitnih napak tako v simulaciji kot tudi v eksperimentu.

Primarni cilji zasnove teoretičnega in praktičnega modela merjenja so sledeči:

 Predstavitev teoretičnega ozadja problema

 Izdelava čimbolj natančnega računalniškega modela primarne strukture

 Ugotavljanje najbolj natančne metode izračuna teoretične togosti in sam izračun

 Snovanje koncepta merilne naprave za togost

 Raziskava obstoječih metod merjenja togosti in optimiziranje zasnove merilne naprave za našo primarno strukturo, proračun in opremo, ki je na voljo v ekipi

 Dimenzioniranje naprave

 Izdelava naprave

 Izvedba meritev v delavnici

 Primerjava teoretičnih in eksperimentalnih vrednosti

(20)

2. Teoretične osnove in predstavitev projekta

2.1. O Formuli Student

Formula Student je mednarodno študentsko inženirsko tekmovanje pod okriljem združenja SAE (angl. Society of Automotive Engineers). Študenti vodijo in sodelujejo pri celovitem razvoju in izdelavi odprto kolesnega eno-sedežnega (angl. open wheel single seater) dirkalnika, s katerim tekmujejo po organiziranih tekmovanjih po celem svetu. Proces vključuje celotno snovanje vsake komponente avtomobila (»iz nič«), izdelavo, sestavljanje in vse ostale inženirske in logistične izzive. Velika večina uradnih tekmovanj znotraj Evrope sledi pravilniku, določen iz strani nemške organizacije Formula Student Germany (FSG). Ta zajema vse zahteve in pravila za samo dirkalnike, kot tudi potek tekmovanj, obveznosti in pravila obnašanja vseh udeležencev. Posamezna tekmovanja lahko vključujejo tudi krajše dodatne pravilnike ali navodila (angl. Competition Handbook).

Ekipe lahko zgradijo dirkalnik za tekmovanje v enem od treh razredov: Razred na bencinski (CV) ali električni pogon (EV) in razred avtonomnih vozil (DV). Znotraj vsakega od teh razredov sodelujejo ekipe v statičnih in dinamičnih dogodkih, v katerih je cilj pridobiti največje število točk, ki na koncu določijo zmagovalca v skupni razvrstitvi v posameznih razredih.

Statični dogodki obsegajo naslednje:

 Poslovna predstavitev (angl. Business Plan Presentation): predstavitev namišljene poslovne ideje in njene bodoče izvedbe potencialnim investitorjem,

 Konstruktorsko poročilo vozila (angl. Engineering Design Report): poročilo o tehnični konstrukciji dirkalnika in njegovih posameznih sklopov in komponent, celovita predstavitev izdelka,

 Stroškovno poročilo (angl. Cost Report): podrobno finančno poročilo, ki obsega izdelavo, sestavo in vgradnjo vsake komponente na vozilu.

(21)

Dinamični dogodki so pa sledeči:

 Avtokros: dinamična vožnja vozila po dani stezi. Dva voznika imata po dva poskusa za najhitrejši čas vožnje. Maksimalna dolžina steze znaša 1,5 km, z vnaprej po pravilniku definiranimi segmenti: ravnine, ovinki, slalomi, šikane in prehitevalne cone. Šteje se najhitrejši čas obeh voznikov;

 Vzdržljivostna dirka (angl. Endurance): predstavlja dinamično vožnjo vozila z dvema voznikoma, pri čemer vsak odvozi približno 10 minut z hitro menjavo med vožnjami. Ponavadi dirka več vozil naenkrat z razmiki na startu, prehiteva se po predvidenih prehitevalnih conah glede na signale in povelja maršalov ob progi;

 Energijski izkoristek (angl. Efficiency): ob vzdržljivostni dirki se spremlja tudi poraba goriva oz. baterije, pri čemer je manjša poraba višje točkovana;

 Pospeševanje (angl. Acceleration): dirka v pospeševanju po ravnini (75 m). Dva voznika imata dva poskusa, pri čemer se šteje najhitrejši dosežen čas;

 Vožnja po spolzki podlagi (angl. Skidpad): vožnja v obliki osmice, kjer imata ponovno oba voznika po dva poskusa. Dogodek testira obnašanje vozila ob lateralnih pospeških. Šteje se najboljši čas obeh voznikov.

Ljubljanska ekipa Superior Engineering je svojo pot začela leta 2016 z dirkalnikom Minka, ki se je že posluževal hibridne šasije (kompozitni monokok in varjena cevasta konstrukcija).

Dve leti kasneje smo izdelali prvi dirkalnik na električni pogon (Eldrax), ki je bil hkrati tudi naš prvi dirkalnik s polnim kompozitnim monokokom. Naslednji dve vozili za tekmovalno sezono 2019 (Svarog) in 2020 (Tabaluga) sta bila izdelana s pomočjo istega kalupa, izboljšave so bile dosežene z boljšo kvaliteto izdelave in z boljšim laminat planom (vrste uporabljenih ogljikovih vlaken, sredice in načini polaganja le-teh).

Zaključno delo obravnava Tabalugo in bo služilo kot izhodišče za meritev ostalih naših vozil, kot tudi za druge ekipe Formule Student, ki bi iskale začetek merjenja togosti svojih šasij.

Slika 1: Dirkalnik Tabaluga na prvem testiranju v Logatcu

(22)

Teoretične osnove in predstavitev projekta

2.2. Osnove šasij dirkalnih vozil

2.2.1. Definicije

Namen vseh komponent in sestavnih delov vsakega dirkalnega vozila je ali izboljšati oz.

zvišati hitrost in vozne lastnosti vozila ali pa povečati udobje in občutek voznika, kar tudi pripomore k boljšim rezultatom na stezi. Šasija vozila pa služi poleg tega kot ogrodje oz.

podlaga za vse te komponente. V grobem mora izpolnjevati naslednje zahteve:

 Zagotovitev varnega mesta za motor(-je), rezervoarje, baterije, podvozje itd.

 Zagotovitev zadostne trdnosti in togosti proti silam pri pospeševanju, zaviranju in zavijanju,

 Varno in udobno mesto za voznika v primeru nesreče,

 Zagotovitev podpore krilom, spojlerom in drugim komponentam, ki so občutljive na aerodinamični potisk,

 Skladnost s pravilniki, v katerem vozilo tekmuje (šasija dirkalnika Formule Student mora slediti regulacijam, določenimi v poglavju T1 v pravilniku FSG [13])

2.2.2. Vrste

V svetu motošporta so se uveljavili 3 načini izdelave šasije, vsak s svojimi prednostmi in slabostmi.

1. Varjena cevasta konstrukcija (angl. spaceframe) je najstarejši način izdelave šasije. Ključ dobre stabilnosti in kvalitete takšne šasije je princip gradnje s triangulacijo (angl. node to node triangulation), kar je v osnovi dokaj preprosta palična konstrukcija, s katero zagotovimo, da vsaka cev prenaša le tlačne ali natezne obremenitve, kar bistveno zvišuje togost in zmanjša maso. Takšen način izdelave ima bistvene prednosti predvsem v ceni in dostopnosti materialov in izdelovalnih tehnologij, ki so potrebne (jeklene cevi in varjenje). Pri tem mora izpolnjevati pravila iz poglavja T3.2 [13], ki določajo materialne lastnosti in dimenzije cevi. Takšne šasije so primerne za domače mojstre in za vse nove in tudi slabše finančno podprte ekipe FS.

(23)

Slika 2: Primer varjene cevaste šasije ekipe Formul´UT

2. Monokok je dandanes prevladujoč način izdelave šasije, ki je vsestransko sprejet v profesionalnem motošportu po celem svetu. Medtem ko temelji spaceframe na paličju, ima monokok osnovo v ploščah in oklepih, ki nosijo v glavnem na strig.

Postavljene so v konceptu ploščne prizme (angl. plated prism), ki pod pogojem, da je na eni od stranic trdno fiksirana, izkazuje visoko torzijsko togost. Obstaja veliko različnih načinov oz. materialov, a najbolj široko uporabljen je kompozit, ki sestoji iz sredice iz satovja (angl. honeycomb core) in zunanje plasti iz ogljikovih vlaken.

Takšna šasija izkazuje bistveno večjo togost in manjšo maso v primerjavi s primerljivo varjeno konstrukcijo, a je pri tem bistveno dražja in bolj zahtevna za izdelavo. Prihranek v delu in materialu se pa izkaže v dejstvu, da je potrebno izdelati bistveno manj karoserije, saj je večina monokoka hkrati tudi že karoserija. Od tukaj naprej bomo za šasijo ekipe SE uporabljali izraz monokok.

Slika 3: Monokok iz ogljikovih vlaken dirkalnika Svarog ekipe Superior Engineering

(24)

3. Hibridna šasija predstavlja združitev obeh omenjenih načinov izdelave. V smislu mase in togosti se znajde na sredini med varjeno konstrukcijo in monokokom. V Formuli Student najde namen predvsem za ekipe z motorjem z notranjim izgorevanjem, saj se pri takšnih vozilih s polnim monokokom pojavijo težave s hlajenjem. V takšnem primeru se izdela šasijo, ki oklepa voznika z monokokom, motorni prostor pa predstavlja varjena konstrukcija. Ta omogoča tudi lažji dostop za vzdrževanje motorja.

Slika 4: Hibridna šasija dirkalnika Griffin ekipe Superior engineering, povzeto po [8]

2.2.3. Togost in masa

Togost primarne strukture je pomembna iz dveh glavnih razlogov. Prvi je neposredno povezan z vodljivostjo in odzivnostjo vozila. Pri vožnji vozila čez ovinek je ključni fizikalni mehanizem prenosa prečne sile (angl. lateral load transfer) skozi ovinek. V začetni fazi zavoja, ko obrnemo volan v zavoj, se prenos sile najprej zgodi na sprednjem paru koles in se preko podvozja, vzmetenja in šasije prenese na zadnji par koles. Prenos sile je pa neposredno povezan z obremenitvijo pnevmatik, ta pa z oprijemom, ta pa z vodljivostjo vozila. Če imamo primarno strukturo z izrazito nizko togostjo, traja prenos sile iz prednji na zadnji par dlje časa, ker primarna struktura pri tem deluje kot velika torzijska vzmet. Takšna zakasnitev pa pomeni zakasnitev pri pridobivanju oprijema v pnevmatikah in posledično vozilo, ki je manj odzivno na hitre spremembe smeri in s tem tudi manj stabilno in slabše vodljivo (hitreje pride do prekrmarjenja ali podkrmarjenja). Z drugimi besedami, nestabilnosti pri vodljivosti vozila najpogosteje odpravljamo s spremembami nastavitev

(25)

Drugi razlog pa leži prav tako v obnašanju primarne strukture kot torzijske vzmeti. Pri vožnji skozi ovinek jo torzijsko obremenimo in v njo vnesemo prožnostno energijo. Težava se pojavi, kadar voznik poravna vozilo za pospeševanje iz ovinka in se vsa shranjena energija vrne s sunkom skozi podvozje in s tem posledično destabilizira vozilo. Posledično je potrebno razmišljati o vgradnji sistemov blaženja oz. dušenja šasije (angl. chassis damping), ki takšne oscilacije zmanjšuje.

Slika 5: Prikaz longitudinalne torzije, najbolj pomembne vrste obremenitve na šasijo, povzeto po [9]

Pri optimizaciji togosti je potrebno upoštevati tudi maso šasije. V osnovi lahko togost zvišamo zelo preprosto z dodajanjem materiala (debelejše cevi, stene …), ampak pri tem hitro pridobimo na masi, ki lahko hitro izniči vse prednosti, ki bi jih pridobili z višjo togostjo.

Najbolj optimalno skonstruirana šasija je tista z najbolj optimalnim razmerjem togost/masa. Z simulacijami ugotovimo, da se ta odvisnost spreminja logaritemsko, posledično enako velja tudi za razmerje med togostjo šasije in celotno togostjo vozila. Iz tega sklepamo, da je višanje togosti smiselno le do neke točke.

(26)

Graf 1: Odvisnost torzijske togosti šasije od relativne togosti vozila, povzeto po [9]

(27)

3. Metodologija raziskave

3.1. Primarna struktura

Pomembno je, da raziščemo pojem primarna struktura. Ena od najpomembnejših funkcij šasije oz. primarne strukture je prenašanje obremenitev, ki izvirajo iz dinamične vožnje. FS za to funkcijo ne določa le šasije, temveč tudi naslednje strukturne nosilne komponente, ki jim mora imeti vsako vozilo, definirano po poglavju T.1.1.10 [13].

 Glavni varnostni lok (angl. Main hoop); varjena jeklena cevasta konstrukcija, ki se nahaja takoj za voznikom in poteka od njegove leve strani od dna dirkalnika in se nadaljuje na določeni minimalni razdalji nad glavo in se simetrično zaključi nazaj v dno dirkalnika,

 Sprednji varnostni lok (angl. Front hoop); varjena jeklena ali aluminijasta cevasta konstrukcija, ki poteka okoli voznikovih nog,

 Podpore varnostnih lokov (angl. Roll hoop braces and supports); vsa podporna konstrukcija varnostnih lokov,

 Ohišje baterije

Naštete komponente bistveno pripomorejo togosti in bodo prav tako zagotovile realno vrednost togosti vozila na stezi, zato bomo izvedli simulacije in meritve celotne primarne strukture in ne samega monokoka. Drugotni razlog za to odločitev je tudi dejstvo, da sta varnostna loka zelo trdno vgrajeni v monokok oz. je prednji varnostni lok trajno laminiran v monokok, t. j. niso bili namenjeni za poljubno demontažo in ponovno montažo.

(28)

Metodologija raziskave

Slika 6: Primarna struktura dirkalnika

3.2. Metodologija merjenja

3.2.1. Princip merjenja

Cilj celotnega eksperimenta je pomeriti togost primarne strukture na način, ki je kar najbolj podoben obremenitvam, katerim je struktura podvržena pri dinamični vožnji. V našem primeru to dosežemo s torzijskim obremenjevanjem, kar najbolj enostavno povedano pomeni, da zadnji konec šasije fiksno vpnemo, sprednji del pa s pomočjo toge ročice obremenimo na longitudinalno torzijo. S pomočjo znane dolžine ročice, aplicirane sile in posledično apliciranega navora ter pomerjenega kota deformacije lahko zlahka izračunamo togost strukture, podane v enotah Nm/°. Poglavitni cilj celotnega zaključnega dela je čim

(29)

Slika 7: Idejna zasnova merjenja togosti

Zasuk lahko merimo na podlagi preproste geometrije. Postavimo lahko dve merilni točki na liniji, postavljeni prečno glede na šasijo na sprednjem delu vozila.

Slika 8: Shema merjenja pomika

(30)

Slika 9: Deformacijski trikotnik

Točki 1 in 2 predstavljata merilni točki na šasiji, na katerih merimo pomik u1 in u2. Na podlagi teh pomikov in znane razdalje med točkama L12 lahko s trigonometrijo izračunamo deformacijski kot α. Koeficient togosti CT predstavlja količnik med apliciranim navorom M in deformacijskim kotom.

𝛼 = arctan⁡(𝑢1 + 𝑢2

𝐿12 ) (3.1)

⁡⁡⁡⁡⁡⁡𝐶_𝑇 =𝑀_𝑇

𝛼 =𝑚⁡𝑔⁡𝑟 𝛼

(3.2)

Obremenjevanje (v simulaciji in v eksperimentu) bomo izvajali inkrementalno, to pomeni, da bomo postopno dodajali maso in v vsakem koraku izračunali togost, s tem bomo zagotovili ponovljivost in podali povprečje, standardno deviacijo itd.

Na podlagi poskusov simulacij iz prejšnjih let pričakujemo rezultat togosti nekje okoli 3000 Nm/°. Dolžina L12 bo za naš primer 290 mm. Pomik bomo merili s pomočjo merilnih uric z merilno ločljivostjo 0,01 mm. Odločimo se, da bomo lahko dosegli zadovoljivo natančnost meritev pomika (upoštevajoč željo po čim manjšem apliciranem navoru na šasijo) pri pomiku ranga 0,2 mm za vsak inkrement. Ta podatek nam bo prišel prav pozneje pri dimenzioniranju naprave.

Odločimo se tudi za še en način merjenja, in sicer tako, da na sprednji del monokoka togo (recimo s sponami) namestimo dolgo, dovolj togo letvico prečno na monokok in merimo pomik na obeh koncih letvice. S tem sicer vnesemo potencialno merilno napako zaradi lastne deformacije letvice, a tudi pridobimo na merilni občutljivosti, saj daljša razdalja L12 zagotavlja večjo vrednost pomikov.

(31)

Slika 10: Merjenje pomika z dolgo letvico

3.2.2. Simulacija

Simulacije bomo izvajali v programu Abaqus 6.13. V program uvozimo modele monokoka, sprednjega in zadnjega varnostnega loka in dna ohišja baterije (ugotovimo namreč, da ostali deli baterije in ohišja ne bistveno vplivajo na togost in jih v želji po poenostavitvah ne vključujemo v simulacijo). Zaradi določenih težav pretvarjanja dvodimenzionalnega površinskega modela v trodimenzionalnega in za namen poenostavitev monokok in dna ohišja obravnavamo kot površinski model. Loka obravnavamo kot 3D model.

Sestavne dele razvrstimo na svoja mesta in jih vežemo na svoja mesta s funkcijo TIE. Vijačne spoje upoštevamo kar kot toge, lepljene zveze. Razporeditev materialov za posamezne dele dobimo iz dokumenta SES (angl. Structural Equivalency Spreadsheet), njihove lastnosti pa razberemo na 3 načine:

 Za ogljikova vlakna s spletne strani podjetja SDH Composites [15] (dobavitelj ekipe za ogljikova vlakna)

 Za ogljikova vlakna lahko tudi direktno iz SES-a [14] v poglavju, kjer so bili opravljeni poskusi mehanskih lastnosti direktno na materialih (natezni, strižni in 3 točkovni upogibni poizkus)

 Za ostale materiale (aluminij in jeklo za varnostne loke) pa iz splošne literature Za točki obremenjevanja postavimo dve referenčni točki približno na sredino vseh točk vpetišč podvozja na razdaljo 1 meter od vzdolžne simetrale monokoka. Na monokok jih vežemo na njegovo stransko površino s funkcijo COUPLING. Na obe točki določimo enaki, nasprotno usmerjeni sili, na površini, na kateri nalega zadnje podvozje, pa določimo robni pogoj ENCASTRE. Na sprednji konec monokoka zarišemo še ravno linijo, s katero si bomo kasneje pomagali pri odčitavanju deformacij. Monokok in podenj baterije za začetek prosto mrežimo s trikotnimi 2D končnimi elementi S3, loka pa prosto s 3D tetraederskimi elementi C3D10.

(32)

Slika 11: Prikaz točk obremenitev in vezav sestavnih delov

Slika 12: Prikaz obremenitev in robnih pogojev (oranžne puščice zadaj)

Deformacije pomerimo s pomočjo orodja PATH. S tem orodjem generiramo namišljeno linijo, na kateri bi radi merili pomike (zato prej narišemo že omenjeno ravno linijo na

(33)

Meritve koeficienta togosti v simulaciji bomo izvedli z več različnimi obremenitvami. CT

izračunamo po formulah (3.1) in (3.2). Razdalja med merjenima točkama v tem primeru znaša L12 = 240 mm. Rezultate zapišemo v preglednico.

Navor [Nm] 𝑪_𝑻𝑩𝑵 [Nm/°]

1000 4760

2000 4769

3000 4769

4000 4770

5000 4770

Preglednica 1: Simulirana meritev togosti

Opazimo, da dobimo zelo konsistentne rezultate, kar zagotavlja zanesljivost naše merilne metode.

Slika 13: Deformirana oblika primarne strukture (faktor povečave 16x)

3.2.3. Prototipiranje merilne naprave

Za ekipo Superior Engineering je eksperimentalno merjenje togosti nov, doslej še nepreverjen izziv, zato smo raziskali pretekle izkušnje merjenja togosti drugih ekip.

Ugotovimo, da ne obstaja standardiziran postopek ali naprava za merjenje togosti, vsaka ekipa je doslej izdelala svojo interno napravo.

(34)

(35)

Slika 14: Primeri merilnih naprav

Na podlagi pregleda konceptov drugih ekip si določimo približen spisek zahtev, ki jih bo morala izpolnjevati naša merilna naprava.

 Skladnost meritve s simulacijo; poskrbeti je potrebno, da je vpliv konstrukcijskih specifik naprave na meritev čim manjši,

 Visoka togost; kakršnakoli naprava za merjenje togosti mora biti bistveno bolj toga od merjenca, v nasprotnem primeru bo meritev zajemala togost tako primarne strukture kot tudi naprave same,

 Čimvečja prilagodljivost za več vozil. Meritve togosti postanejo zares uporabne, kadar pomerimo več šasij, ki jih lahko primerjamo med seboj in kvantificiramo, za koliko posamezne odločitve in napake v zasnovi in izdelavi šasije vplivajo na togost,

 Praktičnost; nanaša se na enostavnost izdelave, uporabe in tudi na to, koliko prostora bo naprava zavzela v naši dokaj majhni delavnici, kadar ne bo v uporabi,

 Dostopnost materialov in cene; uporabiti želimo materiale in izdelovalne tehnologije, ki so znotraj našega finančnega in logističnega dosega.

Na podlagi teh zahtev sem skozi zimo pripravil nekaj različnih konceptov, ki so z različnim uspehom izpolnjevali naštete kriterije. Naši prototipi se bodo od zgoraj prikazanih konceptov najbolj razlikovali v tem, da bodo snovani za merjenje le primarne strukture in ne hkrati tudi elementov podvozja. Ugotovimo tudi, da je za čim boljšo reprezentacijo realnih obremenitev na monokok smiselno merjenje med sprednjimi in zadnjimi točkami vpetišč podvozja (vse kar je pred in za tem območjem med vožnjo ni obremenjeno oz. ni obremenjeno na enak način).

(36)

3.2.3.1. Prototip 1

Slika 15: Prvi prototip naprave

Za povezovalne elemente in ročico uporabimo kvadratne jeklene pohištvene cevi. Nosilne elemente in ojačitvena rebra predstavljajo po meri narezane 10 mm debele jeklene plošče, ki imajo izvrtane luknje na mestih, ki sovpadajo z luknjami za vpetišča za podvozje. Za pritrditev lahko uporabimo kar iste vijake, matice in podložke, ki držijo podvozje na mestu.

Plošče privijačimo na prav tako po meri narejene »noge« z namenom, da jih lahko snamemo in zamenjamo za meritev drugega vozila, saj ima vsako edinstveno določene točke za vpetišča. Spredaj izvedemo podobno, s tem da dodamo še po meri izdelano vrtišče na vijaku, ki omogoča prilagajanje na različne koničnosti nosov različnih vozil. Zadnji povezovalni

(37)

Opomba: Za poenostavitev prikaza uporabljamo v modelu le monokok brez ostalih elementov primarne strukture, prav tako ne prikažemo vseh potrebnih vijakov in matic.

3.2.3.2. Prototip 2

Slika 16: Drugi prototip naprave

V drugem prototipu se znebimo nekaterih vijačnih zvez, kar sicer naredi napravo bolj okorno in manj prilagodljivo, a smo v ekipi sklenili, da je to primerna cena za odpravo šibkih členov

(38)

v smislu togosti naprave. Prilagodljivost v smislu nastavljanja širine je še vedno zagotovljena z vijačno pritrditvijo enega od nosilnih elementov tako spredaj kot zadaj.

3.2.3.3. Prototip 3

Slika 17: Tretji prototip naprave

Tretji prototip predstavlja dodelavo prejšnjega. Rebra na sprednjem in zadnjem delu bistveno povečamo, da se znebimo večine upogibanja in uklanjanja materiala, z istim namenom konstrukcijo spustimo tudi bližje tlom, kar tudi zniža končno maso. V model

(39)

3.2.3.4. Prototip 4

Slika 18: Četrti prototip naprave

Četrti in zadnji prototip je nastal na podlagi pomembne ugotovitve. Vsi dozdajšnji modeli in tudi izdelki drugih ekip imajo ključno težavo v vrtišču apliciranega navora. Položaj vrtišča pod šasijo povzroča, da poleg torzije šasijo tudi v veliki meri obremenjujemo na upogib, kar pa ne odraža realnega stanja med vožnjo.

Iz tega razloga spremenimo zasnovo napravo tako, da zadnji del ohranimo enak (dodamo le dva para vzdolžnih cevi za dodatno stabilnost), sprednji del pa ločimo na dve ločeni obremenjeni ročici. Položaj teh premakne vrtišče v notranjost šasije in bistveno bližje njenemu težišču v prečnem prerezu. S tem odpravimo upogibno obremenjevanje in meritev veliko bolj približamo realnemu stanju. Vrtišče s sornikom nadomestimo z okroglo jekleno cevjo z ošiljenim koncem, privarjeno na ravno jekleno podlago za stabilnost. Služi za podporo sprednjega dela vozila. Nosilec na ročici podpremo z dodatnimi rebri (prav tako 10 mm jeklo), ki razbremenijo zvar in tudi odpravijo nekaj upogiba na nosilni plošči.

(40)

Slika 19: Dvojica sil, s katerima apliciramo navor Zaradi vrtišča za končno zasnovo naprave izberemo zadnji, četrti prototip.

3.2.4. Dimenzioniranje

Dimenzioniranje komponent naprave je poseben izziv, saj ne samo, da morajo zdržati obremenitve mase samega vozila in mase uteži, s katerimi bomo strukturo obremenjevali, ampak mora biti pri tem njihov lastni pomik zanemarljivo majhen v primerjavi s pomikom primarne strukture.

Slednji kriterij smo se odločili preveriti na dva načina. Tri ključne sestavne dele poračunamo analitično, obnašanje naprave kot celote pa preverimo s simulacijo v programu Abaqus.

(41)

3.2.4.1. Sprednja podpora

Potreben je le poračun cevi na uklon. Obremenjena je s polovico mase vozila brez podvozja.

Za varnostni faktor vzamemo kar polovico celotne mase vozila, ki znaša 210 kg. Uklona ne želimo imeti zaradi želje po minimaliziranju pomikov celotne naprave, zato moramo paziti, da je cev obremenjena na čisti tlak. Odločimo se za jekleno cev premera 20 mm z debelino stene 2 mm, ki je zelo splošno dostopna, v delavnici jih imamo veliko na rezervo. Poračunati je potrebno, če je primerna.

Slika 21: Sila na sprednjo podporo

Za poračun uklona potrebujemo sledeče enačbe. Predpostavimo lastnosti mehkega jekla.

𝜆_𝑑𝑒𝑗= β⁡L 𝑖_𝑚𝑖𝑛

(3.3)

⁡⁡⁡⁡𝑖_min= √𝐼_𝑚𝑖𝑛 𝐴

(3.4)

𝜆_PR= π⁡√ 𝐸 𝜎𝑃𝑅

(3.5)

𝜆_PL=310 − 𝜎_𝑃𝐿 1,14

(3.6)

(42)

𝐼_min= 𝜋

64⁡(𝐷⁴− 𝑑⁴) (3.7)

𝜎 =𝐹_{𝑝𝑣𝑜𝑧}

𝐴_𝑐𝑒𝑣 ≤ 𝜎_𝑑𝑜𝑝 =𝜎_𝑃𝐿 𝑣

(3.8)

Za mehko jeklo velja 𝜎_𝑃𝐿 = 250⁡MPa, 𝜎_𝑃𝑅 = 250⁡MPa, 𝐸 = 200⁡GPa in 𝑣 = 5. Iz strojniškega priročnika odčitamo faktor 𝛽 = 2, dolžina cevi znaša 𝐿 = 145 mm.

Poračunajmo obe meji vitkosti in dejansko vitkost.

𝜆_PR= π⁡√ 𝐸

𝜎_𝑃𝑅= π⁡√200 ∗ 10³

190 = 101,87 𝜆_PL= 310 − 𝜎_𝑃𝐿

1,14 = 310 − 250

1,14 = 52,63 𝜆_𝑑𝑒𝑗 = β⁡L

𝑖_𝑚𝑖𝑛 = β⁡L

√𝐼^𝑚𝑖𝑛 𝐴

= β⁡L

√ 𝐷⁴− 𝑑⁴ 16⁡(𝐷²− 𝑑²)

= 2 ∗ 145

√ 20⁴− 16⁴ 16⁡(20²− 16²)

= 45,29

Dejanska vitkost pade v območje čistega tlaka.

𝜎 =𝐹_{𝑝𝑣𝑜𝑧} 𝐴_𝑐𝑒𝑣 ⁼

105 ∗ 9,81 𝜋

4⁡(20²− 16²)= 9,1⁡MPa 𝜎_𝑑𝑜𝑝=𝜎_𝑃𝐿

𝑣 =250

5 ^{= 50⁡MPa} Ocenimo, da je cev primerna.

(43)

3.2.4.2. Zadnja podpora

V zadnjih podporah zaradi reber do uklona ne bo prišlo, poračunati je potrebno le tlak v nosilnih ploščah. Vsaka plošča nosi četrtino mase vozila.

Slika 22: Sila na zadnjo podporo

𝜎 =𝐹_{č𝑣𝑜𝑧} 𝐴_𝑝 ⁼

52,5 ∗ 9,81

360 ∗ 10 = 0,14⁡MPa Ugotovimo, da so napetosti zanemarljive.

3.2.4.3. Nosilec

Nosilca predstavljata ročico znane dolžine za silo, s katero bomo aplicirali navor na primarno strukturo. Imeti mora ravno pravšnjo dolžino in debelino stene, ker v nasprotnem primeru naletimo na sledeče težave:

 Prevelika dolžina bi pomenila prevelik poves nosilca, kar bi pomenilo, da bi rabili debelejšo steno, kar bi zelo zvišalo maso

 Premajhna dolžina bi pomenila, da bi na konec ročice morali dodati bistveno več mase za dani navor

 Predebela stena bi pomenila nepotrebno visoko maso

 Pretanka stena bi pomenila prevelik poves na koncu nosilca

(44)

Dimenzioniranje nosilca predstavlja nekoliko večji izziv, saj se izkaže, da je težko napovedati obnašanje nosilca v razmerju z deformacijo primarne strukture, zato uvedemo določene poenostavitve.

Smatramo, da primarna struktura predstavlja konzolo, v katero bo vpet nosilec, torej predpostavimo, da bo deformacija strukture enaka 0. Določimo, da je sprejemljiva vrednost največjega povesa nosilca 5 mm pri obremenitvi do meje tečenja. Vemo tudi, da bomo imeli dva nosilca za dvojico sil pri dolžini približno 1 m, kar pomeni, da imamo lahko na podlagi ugotovitev v poglavju 3.2.1 za vsak nosilec inkrement obremenjevanja po korakih po 5 kg do približno 50 kg (za pridobitev kar največ podatkov), kar ustreza skupnemu navoru pribl. 1000 Nm na primarno strukturo. Nosilec bi radi dimenzionirali do meje tečenja pri približno 150 kg za primer, če bi recimo na nosilec kaj padlo ali bi se na njega kdo spotaknil ali usedel.

Po raziskovanju različnih presekov nosilcev ugotovimo, da bo glede na trdnost, dostopnost, ceno in zahtevnost montaže najbolj primerna pohištvena cev 80 mm x 40 mm z za zdaj še neznano debelino stene. Iskanje najbolj primerne cevi bomo ločili na 3 primere dolžine cevi (ker dolžina od vseh količin najbolj vpliva na poves), za katere bomo s pomočjo analitičnega računa in simulacije na primarni strukturi določili, katera je najbolj primerna za uporabo.

Kriteriji za to bodo:

 skupna masa ročice (pri maksimalni obremenitvi nosilca s 500 Nm),

 poves,

 maksimalna nosilnost in tudi

 maksimalna dolžina, saj smo nekoliko omejeni s prostorom v delavnici.

(45)

Slika 23: Diagram upogiba in prerez nosilca Enačbo upogibnice izpeljemo iz diferencialne enačbe upogibnice.

𝑦´´(𝑥) = −𝑀(𝑥) 𝐸⁡𝐼_𝑧

(3.9)

𝑦^′′(𝑥) = 𝐹⁡𝑥 𝐸⁡𝐼_𝑧

∫𝐹⁡𝑥

𝐸⁡𝐼_𝑧⁡𝑑𝑥 = 𝐹⁡𝑥²

2⁡𝐸⁡𝐼_𝑧+ 𝐶₁= 𝑦′(𝑥)

∫ (𝐹⁡𝑥²

2⁡𝐸⁡𝐼_𝑧+ 𝐶₁) 𝑑𝑥 = 𝐹⁡𝑥³

6⁡𝐸⁡𝐼_𝑧+ 𝐶₁𝑥 + 𝐶₂= 𝑦(𝑥) Robni pogoji:

𝑦(𝑥 = 0) = 0

(46)

𝑦′(𝑥 = 0) = 0

Sledi:

𝐹⁡0² 2⁡𝐸⁡𝐼𝑧

+ 𝐶₁= 0 => 𝐶₁= 0 𝐹⁡0³

6⁡𝐸⁡𝐼𝑧

+ 𝐶₁0 + 𝐶₂= 0 => 𝐶₂= 0 I_𝑧= (𝑎⁡𝑡³+ 𝑡⁡(𝑏 − 2⁡𝑠)³

6 + (𝑏 − 𝑠

2 )

2

∗ 2⁡𝑎⁡𝑡) Enačba upogibnice:

𝑦(𝑥) = 𝐹⁡𝑥³ 6⁡𝐸⁡𝐼_𝑧

(3.10)

Maksimalni poves nosilca:

𝑦_𝑚𝑎𝑥= 𝐹⁡𝑙³ 6⁡𝐸⁡𝐼_𝑧

(3.11)

Maksimalna sila, s katero lahko obremenimo nosilec z dano dolžino in presekom:

𝐹𝑚𝑎𝑥=σ𝑑𝑜𝑝⁡I𝑧

𝑦⁡𝐿

(3.12)

Pri čemer je 𝑦 = 40⁡mm in 𝜎_𝑑𝑜𝑝 = 200⁡MPa.

Za pomoč si spišemo program v Wolframu Mathematici, ki nam za dano dolžino in debelino stene nosilca izračuna že omenjeno največjo nosilnost, največji poves, maso celotne ročice z nosilno ploščo vred in skupno maso ročice z utežmi za skupni navor 1000 Nm. Maso nosilca na enoto dolžine najdemo na spletni strani inpos.eu.

Primerjali bomo cevi z dolžino 750 mm, 1000 mm in 1250 mm. Za vsako bomo tudi spreminjali debelino stene in opazovali, katera se bo na podlagi naštetih kriterijev izkazala za najbolj primerno.

(47)

Količina/dolžina (t = 2 mm) 750 mm 1000 mm 1250 mm

Max. poves [mm] 2,34 4,17 6,51

Max. obremenitev [kg] 264,92 198,65 158,91

Masa ročice [kg] 9,3 10,19 11,08

Masa uteži [kg] 53,65 42,47 35,15

Skupna masa [kg] 62,95 52,66 46,23

Preglednica 2: Lastnosti nosilcev pri debelini stene 2 mm

Max. Poves [kg] 2,34 4,17 6,51

Max. Obremenitev [kg] 379,75 284,68 227,47

Masa ročice [kg] 10,52 11,82 13,12

Masa uteži [kg] 53,65 42,47 35,15

Skupna masa [kg] 64,17 54,29 48,27

Max. Poves [kg] 2,34 4,17 6,51

Max. Obremenitev [kg] 483,41 362,56 290,05

Masa ročice [kg] 11,66 13,34 15,02

Masa uteži [kg] 53,65 42,47 35,15

Skupna masa [kg] 65,31 55,81 50,17

Za primerjavo s simulacijo v Abaqusu izberemo nosilce debeline 2 mm vseh treh dolžin, saj vidimo, da dva od njiju izpolnjujeta vse naše kriterije, najdaljši ima pa največjo nosilnost najbližjo našemu kriteriju in tudi najnižjo skupno maso z utežjo za skupni navor 1000 Nm.

Slika 24: Simulacija naprave s 750 mm profilom z debelino stene 2 mm

(48)

Razberemo, da se nobena dolžina profila z debelino stene 2 mm upogne ne upogne nič oz.

zanemarljivo. To pomeni, da je katerikoli od naših profilov primeren za uporabo na napravi.

Odločimo se za profil dolžine 1000 mm, saj je s tem prihranimo nekaj prostora v delavnici v primerjavi z dolžino 1250 mm, 3 mm debeline pa vzamemo zaradi večje dostopnosti te dimenzije na tržišču in tudi zato, ker je skupna masa ročice le za manj kot 2 kg večja.

Na zgornjih simulacijah opazimo tudi, da naležnih površinah ročice na monokok prihaja do rahlega vbočanja oz. izbočanja, za kar lahko zagotovo predvidevamo, da bo imelo vpliv na meritev togosti, ampak zaključimo, da to ni težava, saj do takšnega efekta prihaja tudi med realnimi obremenitvami primarne strukture.

(49)

3.2.5. Končna zasnova

Slika 27: 3D model končne različice naprave z monokokom

Natančne pozicije lukenj za vpetje naprave na monokok pridobimo s pomočjo varjene šablone, izdelane posebej za namen vrtanja vseh lukenj v monokok.

Slika 28: Šablona za vrtanje lukenj v monokok

(50)

Kot smo že omenili, za pritrditev naprave uporabimo komplet M6 vijakov in podložk, ki služi pritrditvi podvozja na monokok.

Slika 29: Pritrditev naprave na monokok

V nadaljnji želji približanja obremenitve pri eksperimentu realnim obremenitvam dodamo med vse 4 nosilne plošče in monokok podložke z enako površino kot samo vpetišče in s tem monokok obremenimo le na mestih, kjer je med vožnjo dejansko obremenjen.

(51)

Slika 30: Podložke med ploščo in monokokom

Za povezovalne elemente na zadnjem delu uporabimo kvadratne cevi dimenzij 70 x 70 x 3 mm. Napram četrtemu prototipu imajo tanjše stene, vzdolžni elementi so sedaj tudi krajši.

Prečne in vzdolžne cevi vijačno povežemo z M12 vijaki s pomočjo po meri izdelanih kotnikov. Vsako od zadnjih nosilnih plošč pritrdimo na cev s štirimi M16 vijaki.

Slika 31: Sestav zadnjih povezovalnih elementov

Na spodnjo stran monokoka na mestu sprednje podpore z lepilnim trakom nalepimo majhno kovinsko ploščico, ki služi za zaščito monokoka pred morebitnimi praskami od ošiljene cevi.

(52)

Slika 32: Ploščica na monokoku

Nazadnje izdelamo še neke vrste pladenj, na katerega bomo odlagali uteži. Pritrdimo ga z dvema M8 vijakoma.

Slika 33: Pladenj za uteži

Opravimo še simulirano meritev togosti in opazujmo razlike v meritvah v primerjavi z meritvijo brez naprave.

Navor [Nm] 𝑪_𝑻𝑵 [Nm/°]

1000 4266

2000 4266

3000 4266

4000 4265

5000 4266

Preglednica 5: Simulirana meritev togosti z napravo

(53)

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

(54)

Kose zavarimo z MIG varilnim aparatom.

(55)

(56)

(57)

Slika 35: Izdelava varjencev

Cevi za povezovalne elemente kupimo v Merkurju, vijačni material pa v KAMM.

(58)

3.3.1.2. Sestavljanje preizkuševališča

V prvem koraku pripravimo kotnike in povezovalne elemente, torej izvrtamo luknje v cevi in jih zavijačimo skupaj.

(59)

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

(60)

Slika 38: Izdelano držalo

(61)

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.

(62)

Slika 40: Začetek razstavljanja podvozja

Površine pod nosilnimi ploščami zaščitimo pred praskami z lepilnim trakom.

(63)

Slika 41: Zaščita površin

Slika 42: Razstavljanje planetnih gonil

(64)

Po razstavljanju namestimo nosilne plošče. V vozilo namestimo še baterijo.

(65)

Slika 43: Nameščanje komponent

Nazadnje celotno konstrukcijo spustimo na povezovalne elemente in sprednjo podporo.

(66)

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

(67)

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.

(68)

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.

(69)

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 = 290⁡mm, za metodo z uricami pa 𝐿12 = 1800⁡mm. Za obe metodi velja 𝑟 = 1200⁡mm.

Stran / Masa na vsakem nosilcu [kg]

0 5,25 10 15,25 20 25,25

Desna (mm) 4,86 4,79 4,70 4,62 4,54 4,45

Leva (mm) 1,86 2,01 2,10 2,20 2,31 2,42

CT (Nm/°) / 2843,8 2979,2 3133,3 3095,3 3102,0 Preglednica 6: Rezultati meritev z uricami na monokoku

Stran / Masa na vsakem nosilcu [kg]

0 5,25 10 15,25 20 25,25

Desna (mm) 2,38 1,85 1,32 0,78 0,22 -0,65

Leva (mm) 1,61 2,18 2,76 3,38 4,00 4,65

CT (Nm/°) / 3530,2 3346,9 3347,1 3251,2 3076,8 Preglednica 7: Rezultati meritev z uricami na dolgi letvici

Primer izračuna:

𝛼 = arctan (𝑢1 + 𝑢2

𝐿12 ) = arctan (0,07 + 0,15

290 ) = 0,0437°

⁡⁡𝐶_𝑇 =𝑇

𝛼= 2⁡𝑚⁡𝑔⁡𝑟

𝛼 = 2 ∗ 5,25 ∗ 9,81 ∗ 1,2

0,0437 = 2843,8⁡𝑁𝑚

°

(70)

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 𝑁⁡∑ 𝑥_𝑖

𝑁

𝑖=1

(4.1)

⁡⁡⁡⁡s(x) = √ 1

𝑁 − 1⁡∑(𝑥_𝑖− 𝑥̅)²

𝑁

𝑖=1

(4.2)

𝑢 (x) = s(𝑥̅) =𝑠(𝑥) (4.3)

(71)

Aritmetično srednjo vrednost meritev izračunamo po enačbi 4.1.

𝐶_𝑇

̅̅̅̅= 1

𝑁⁡∑𝐶_𝑇𝑖

𝑁

𝑖=1

=

=2843,8 + 2979,2 + 3133,3 + 3095,3 + 3102 + 3530,2 + 3346,9 + 3347,1 + 3251,2 + 3076,8 10

= 3170,6⁡𝑁𝑚

°

Na podlagi aritmetične srednje vrednosti izračunamo eksperimentalni standardni odmik po enačbi 4.2.

s(𝐶_𝑇) = √(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.

𝑢_𝐴(𝐶_𝑇)= s(𝐶̅̅̅̅)_𝑇 =𝑠(𝐶_𝑇)

√𝑁 ⁼

200,57

√10 = 63,43𝑁𝑚

°

4.3. Odstopek od simulacij

4.3.1. Odstopek od simulacije brez naprave

𝐸𝑅𝑅_𝐵𝑁 =|𝐶̅̅̅ − 𝐶_𝑇 _𝑇𝐵𝑁|

𝐶_𝑇𝐵𝑁 ∗ 100% =|3170,6 − 4767,6|

4767,6 ∗ 100% = 33,5⁡%

4.3.2. Odstopek od simulacije z napravo

𝐸𝑅𝑅_𝑁= |𝐶̅̅̅ − 𝐶_𝑇 _𝑇𝑁|

𝐶_𝑇𝑁 ∗ 100% =|3170,6 − 4266|

4266 ∗ 100% = 25,7⁡%

(72)

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 zlepljeni skupaj preprosto z mokro laminacijo, kar bistveno vpliva na končno vrednost togosti.

2. Občutljivost simulacije; medtem, ko sicer gostota mreže, izbira, ali materiale definiramo v skladu s SES-om ali s specifikacijami podjetja SDH in vrednost apliciranega navora ne bistveno vpliva na rezultate meritev, so pa izbira mest 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.

(73)

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.