Merjenje deformacij kompozitne šasije dirkalnika Formula študent z uporabo merilnih lističev

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Merjenje deformacij kompozitne šasije dirkalnika Formula študent z uporabo merilnih lističev

Gašper Trušnovec

Zaključna naloga univerzitetnega študijskega programa I. stopnje

Strojništvo – Razvojno-raziskovalni program

(2)

(3)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Merjenje deformacij kompozitne šasije dirkalnika Formula študent z uporabo merilnih lističev

Zaključna naloga univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo – Razvojno-raziskovalni program

Gašper Trušnovec

Mentor: izr. prof. dr. Jože Kutin

(4)

(5)

Zahvala

Najprej bi se rad zahvalil svoji družini, saj me skozi vsa leta podpira in me usmerja na pravo pot, kadar je to potrebno. Vedno so mi nudili vse, kar sem potreboval, da sem se lahko povsem posvetil stvarem, ki me veselijo in jih imam rad. Rad bi se zahvalil mentorju, izr.

prof. dr. Jožetu Kutinu, pri usmerjanju in izdelavi končne oblike zaključne naloge. Na koncu bi se rad zahvalil še fantom iz ekipe Superior Engineering za pomoč pri merjenju in izdelavi merilnega sistema, ključnega za izdelavo zaključne naloge, zahvala gre tudi kolegu Aljažu za pomoč pri ustrezni vezavi merilnih lističev.

(6)

(7)

Izvleček

UDK 629.3.023.1:620.17:539.3(043.2) Tek. štev.: UN I/1552

Merjenje deformacij kompozitne šasije dirkalnika Formula študent z uporabo merilnih lističev

Gašper Trušnovec

Ključne besede: kompoziti

karbonska šasija (monocoque) deformacije

merilni uporovni lističi togost

Wheatstonova mostična vezava formula študent

Kompozitne strukture so v časih napredka tehnologije in potreb po najrazličnejših izdelkih vseh možnih oblik ter z zahtevami po čim manjši masi ter čim večji togosti (čim večji odpor proti deformacijam strukture) velikokrat zaželjena oz. edina možna izbira, saj jih je možno zelo različno oblikovati ter tudi zelo natančno določiti njihovo trdnost z izbiro debeline slojev kompozita. Pogosto se za kompozitne strukture uporablja karbonska vlakna, ki so glede na razmerje med maso in trdnostjo zelo zaželjena predvsem v avtomobilističnem svetu, največ v moto športu in v letalskem in vesoljskem inženirstvu. Zato tudi v društvu Formula študent dirkalnik razvijamo okoli kompozitno zgrajene šasije (monocoque), saj s tem zagotovimo visoko togost primarne strukture dirkalnika (šasije), ki je osnova za dobro delovanje ostalih komponent ter tudi celotnega dirkalnika. Z merjenjem deformacij in posledično določenimi pomiki primarne strukture dirkalnika lahko določimo velikost deformacij ter tako dobimo medsebojno povezavo med deformacijami in debelino kompozitne strukture (laminata). S poznavanjem te povezave lahko pri konstruiranju

(8)

Abstract

UDC 629.3.023.1:620.17:539.3(043.2) No.: UN I/1552

Measurement of deformations of the composite chassis of a Formula student car using strain gauges

Gašper Trušnovec

Key words: composites

carbon fibre chassis deformations strain gauges stiffness

Wheatstone bridge formula student

In times of advances in technology and the need for a wide variety of products of all possible shapes, and with the requirements for the smallest possible mass and the greatest possible rigidity (the greatest possible resistance to deformations of the structure), composite structures are often desired or the only possible choice, as they can be shaped very differently, and also to determine their strength very precisely by choosing the thickness of the composite layers. Carbon fibers are often used for composite structures, which are highly desirable in terms of weight-to-strength ratio, especially in the automotive world, especially in motorsport, and in aerospace engineering. Therefore, in the Formula student association we develop the car around a composite chassis(monocoque), as this ensures high rigidity of the primary structure of the car(chassis), which is the basis for good performance of other components and the entire car. By measuring the deformations and consequently determining the displacements of the primary structure of the car, we can determine the size of the deformations and thus obtain the relationship between the deformations and the thickness of the composite structure(laminate). By knowing this connection, we can already know approximately the deformations and displacements that will occur when driving a car when designing further racing cars and determining the thickness of the composites on the chassis.

(9)

Kazalo

1. Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 2

2. Teoretične osnove in pregled literature ... 4

2.1 Projekt Formula Student ... 4

2.2 Kompozitna šasija (monocoque) ... 5

2.3 Karbonska vlakna in sendvič strukture ... 6

2.4 Deformacije ... 7

2.5 Merilni uporovni lističi ... 9

2.6 Postavitev in vezava merilnih lističev v Wheatstonov mostič ... 12

3. Metodologija raziskave ... 14

3.1 Pregled rezultatov numerične simulacije ter določitev mesta namestitve lističev na šasijo ... 14

3.2 Izbira in namestitev uporovnih merilnih lističev na šasijo ter vezava Wheatstonov mostič ... 16

3.3 Predstavitev merilne verige in nastavitev merilnega sistema ... 19

4. Rezultati ... 24

4.1 Predstavitev izvedbe meritve ... 24

4.2 Predstavitev rezultatov ... 25

5. Diskusija ... 27

Literatura ... 29

(10)

Kazalo slik

Slika 1.1: Vse tri električne formule ekipe Superior

Engineering………2 Slika 2.1: Dirkalnik za sezono 2020/21 na tekmovanju v Avstriji na progi Red Bull

Ring………5 Slika2.2:Monocoque iz karbonskih vlaken dirkalnika za sezono

2020/21………...…6 Slika 2.3: Aluminijasti honeycomb (levo) in aramidni

(desno)………...……….7 Slika 2.4: Splošni sigma-epsilon diagram za kovine, povzeto po

[6]………...8 Slika 2.5: Primer Sila-pomik diagrama za enega izmed laminatov, ki je uporabljen na šasiji dirkalnika sezone 2020/21 (lastni

vir)……….………...9 Slika 2.6: Prikaz in delovanje osnovnega uporovnega merilnega lističa, povzeto po

[6]………...………..10 Slika 2.7: Prikaz zgradbe merilnega lističa, povzeto po

[1]………..………...11 Slika 2.8: Prikaz različnih tipov merilnih lističev: a) linearni, b) listič z dvema merilnima mrežicama med seboj zamaknjenima za 90 stopinj, c) merilni listič z dvema merilnima mrežicama med seboj zamaknjenima za 45 stopinj, d) merilni listič z dvema merilnima mrežicama postavljeni v isti smeri, e) merilni listič s tremi merilnimi mrežicami, f) merilni listič z 10 ali več mrežicami, g) polno mostični merilni listič, h) uporovni merilni listič za mehanske merilnike tlaka, povzeto po

[8]………..………...12 Slika 2.9: Wheatstonov mostič, kjer Rx označuje upor s spremenljivo upornostjo, torej merilni listič, povzeto po

[6]………...………..13 Slika 3.1: Rezultati simulacije šasije dirkalnika sezone 2020/21. Prikazane so deformacije šasije, ki so za izvedbo same zaključne naloge tudi najbolj pomembne, povzeto po

[1]………..………...15 Slika 3.2: mesto apliciranja lističev in posledičnega merjenja na dejanski

šasiji………..16 Slika 3.3: Naši aplikaciji najbolj primerna merilna rozeta levo ter izbrani in v naši merilni verigi uporabljeni merilni lističi desno, povzeto

po[8]..………...…17 Slika 3.4: Vezava lističev, ki je uporabljena tudi v našem primeru, povzeto po

[8]……….……….…..18 Slika 3.5: Prikaz postopka lepljenja in vezave lističev na željeno mesto, ter prikaz

uporabljene

opreme…...………..….18 Slika 3.6: uporabljen merilni sistem: zaščiteno merilno mesto z lističi, merilni pretvornik znamke Dewesoft – Minitaur z baterijo, ter zaslon za pregled

rezultatov………...……….……..19 Slika 3.7: Merilni pretvornik znamke Dewesoft, povzeto po

[6]..………...…………20

(11)

Slika 3.8: Nastavitve merilnega sistema v merilnem pretvorniku torej Dewesoftovem Minitauru………...………...21 Slika 3.9: Predstavitev nastavitev prikazanih v rdečem kvadratku zgoraj

levo………...………..………..21 Slika 3.10: Predstavitev nastavitev prikazanih v rdečem kvadratku spodaj

desno………...……….…….22 Slika 4.1: Primer postavitve proge za disciplino imenovano skidpad (vožnja osmice), povzeto po

[9]………..………...25 Slika 4.2: Graf ε (relativna deformacija)-t (čas) za vezavo 1 (torej merilni sistem za

merjenje v smeri glavnih

osi)………...……….26 Slika 4.3: Graf ε (relativna deformacija)-t (čas) za vezavo 2 (torej merilni sistem za

merjenje pod kotom 45 stopinjglede na glavne

osi)………26

(12)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

ε μ

/ /

relativni raztezek mikro

Indeksi Rx

(13)

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

FS UD

Formula student Uni directional

(14)

1. Uvod

1.1 Ozadje problema

V društvu Formula Student Superior Engineering Ljubljana vsako leto zasnujejo in izdelajo električno dirkalno vozilo – formulo, s katero vsako sezono tekmujejo na različnih dirkališčih z željo po čim boljših rezultatih. Pomemben je tudi napredek skozi vsako sezono, da je vsaka komponenta na novem dirkalniku še boljša, predvsem pa optimizirana, ter izdelana z željo po čim boljši zmogljivosti in čim bolj na robu vzdržljivosti, saj se le tako lahko zagotovi napredek, predvsem pa prednost pred drugimi ekipami z večjimi letnimi proračuni ter številčnejšimi ekipami, kot je naša.

Eden pomembnejših delov dirkalnika Formula Student je šasija oziroma t. i. primarna struktura. Velikokrat se, ker je izdelana iz kompozitne strukture, zanjo uporablja tudi angleški izraz monocoque. Ker je šasija največja komponenta vozila, je zato pri njeni konstrukciji možna največja optimizacija predvsem zmanjšanje mase, kar je mogoče z zmanjšanjem velikosti šasije. Velikost in predvsem oblika šasije je zelo povezana z geometrijo podvozja, zato je oblika šasije zasnovana v sodelovanju s sklopom podvozja predvsem z veliko direktne komunikacije in prilagajanja enega sklopa drugemu. Geometrija podvozja je velikokrat eden od odločilnih faktorjev pri vožnji dirkalnika, zato je oblika šasije v prvi vrsti izdelana s čim boljšim prileganjem podvozju, kar lahko zelo pozitivno vpliva na dinamiko vožnje. Eden izmed odločilnih dejavnikov na obliko kompozitne šasije pa je tudi baterijski paket, ki je ena večjih komponent, katere vgradnja na čim bolj optimalno mesto v šasiji zelo pozitivno vpliva na težišče vozila.

Zaradi omejitev pri konstruiranju in optimiziranju šasije, naštetih v prejšnjem odstavku, smo pri razvoju oblike monocoquea zelo vezani na neko obliko in velikost nove šasije. Zato lahko na optimizacijo in predvsem maso strukture največ vplivamo s snovanjem t. i. laminat plana, kjer največkrat z uporabo simulacijskih orodij (ki temeljijo na uporabi končnih elementov), kot so Abaqus, Ansys itd., predpišemo debelino kompozitne sendvič strukture tako, da so deformacije na posameznem mestu šasije čim manjše oziroma je togost celotne strukture čim večja. Debelina kompozitne strukture se lahko po celotni šasiji spreminja, saj so nekateri deli veliko manj obremenjeni kot drugi in bi bila zato gradnja celotne strukture z uporabo enake debeline laminata nesmiselna in slabo optimizirana.

Predvsem zaradi dejavnikov in razlogov, naštetih v prejšnjih odstavkih, se je razvila ideja vzpostavitve merilnega sistema, s katerim bi lahko validirali simulacije šasije s pomočjo

(15)

Uvod

uporabe simulacijskih orodij. Tak merilni sistem bi bil implementiran na dirkalnik in bi meril deformacije dirkalnika med vožnjo po progi. Nato lahko s pomočjo računalnika dobljene izmerjene vrednosti merilnega sistema primerjamo s tistimi, dobljenimi preko simulacij, in določimo odstopanje med dejanskimi in simuliranimi vrednostmi deformacij. V nalogi bo tako obravnavan in zasnovan sistem temeljil na uporabi merilnih uporovnih lističev, ki so se po tehtnem premisleku glede na aplikacijo merjenja ter zmogljivost uporabe lističev, dokaj enostavne implementacije na dirkalnik in dokaj ugodno cenovno dostopnost zdeli kot najbolj optimalno sredstvo za merjenje. Na sliki 1.1 so za boljšo predstavo, za kakšen študentski dirkalnik gre, prikazane vse 3 električne formule ekipe Superior Engineering.

Slika 1.1: Vse tri električne formule ekipe Superior Engineering

1.2 Cilji

Cilj zaključne naloge je predvsem dobiti povezavo med vrednostmi deformacije šasije v naravnem okolju, torej vožnjo po dirkališču, in med računalniškim modelom. S tem bo snovanje šasij novih dirkalnikov v prihodnje olajšano, saj se bo glede na odstopke vrednosti rezultatov realne meritve in računalniške simulacije lahko določila neka vrednost odstopanja v % in s tem se lahko zagotovi, da smo pri definiranju laminat plana šasije s pomočjo računalniških simulacij še vedno v nekem varnem območju, saj se bo glede na primerjavo dejanskih in simuliranih vrednosti deformacij šasij dirkalnikov prejšnjih let ocenilo odstopanja vrednosti deformacij.

Cilj te naloge je vzpostavitev in implementacija ustreznega merilnega sistema na dirkalnik, na območje, kjer so vrednosti deformacij največje, saj je tam tudi najbolj kritično mesto za porušitev strukture oz. poškodbe le te. V nalogi bo predstavljeno spoznavanje in začetki rokovanja z merilnimi uporovnimi lističi, saj je delo z njimi glede na velikost in občutljivost precej zahtevno, kot tudi implementacija in pravilna namestitev le teh na mesto merjenja.

Posebno pozornost je treba tudi nameniti vezavi teh lističev v t. i. Wheatstoneov mostič ter vezavi in priključitvi na enega izmed ustreznih merilnih pretvornikov za zajem podatkov.

(16)

Uvod

V nalogi bodo tako postopoma predstavljene vsebine in elementi, ki bodo udeleženi v procesu merjenja oziroma so za to potrebni. Poudarek bo predvsem na kompozitni primarni strukturi dirkalnika – šasiji, določitvi ustreznega mesta merjenja s pomočjo simulacije ter merilnih uporovnih lističih in opremi, ki so na koncu potrebni za uspešno merjenje deformacij. V zaključnem delu bo predstavljena izvedba meritve, in sicer: postopek implementacije merilnega lističa na mesto merjenja, vezave le teh ter prikaz dobljenih rezultatov in utemeljitve pravilnih/napačnih dobljenih vrednosti.

Kakovost izvedbe meritve, kar je ključno za kasnejšo validacijo računalniških simulacij, je zelo odvisna od pravilnega rokovanja z merilnimi uporovnimi lističi, pravilne vezave le teh, pravilno nastavljenega merilnega pretvornika in verige merjenja. Pomembno je tudi, da meritev izvedemo na mestu, kjer naj bi se pojavile največje deformacije, saj bomo le tako lahko vedeli dejanske vrednosti deformacij na tem mestu in ali te na dolgi rok lahko povzročijo začetne poškodbe na primarni strukturi dirkalnika ter njihovo širjenje, kar lahko pripelje do večjih razpok kompozitne strukture in posledično pomeni zmanjšano togost šasije in seveda slabše vozne lastnosti dirkalnika.

(17)

2. Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Projekt Formula Student

Formula Student je inženirsko študentsko tekmovanje, katerega cilj je vsako leto zgraditi novi pravi dirkalnik po vzoru tistih iz serije Formula 1, le v pomanjšani obliki, ter z njim dirkati po različnih svetovno znanih stezah (kjer dirkajo tudi v seriji Formula 1, MotoGP itd.) po celi Evropi. Ekipe prihajajo iz Evrope, Amerike, Avstralije, Azije in Južne Amerike.

Ekipo lahko sestavljajo samo študentje, ki glede na tematiko projekta ter znanja, ki so potrebna za sestavo in predstavitev takšnega dirkalnika, po navadi prihajajo iz različnih strok, kot so: strojništvo, elektrotehnika, programiranje, menedžment, ekonomija ter tudi s področja družbenih ved.

Zanimanje za tovrstno tekmovanje je iz leta v leto večje. Ekipa, ki želi sodelovati na tem tekmovanju, mora v samo eni sezoni (približno 10 mesecev) zasnovati ter izdelati vozilo po točno določenem pravilniku, ki se vsako leto spreminja in s tem zagotavlja, da ekipe vsako sezono izdelajo nov dirkalnik, saj dirkalnik iz prejšnje sezone ne ustreza novemu pravilniku.

Tekmovanje se deli glede na vrsto pogona vozila ter upravljanje le tega na 3 večje sklope, ki so po samih disciplinah tekmovanja in v končnem točkovanju med seboj strogo ločeni. Ti sklopi so:

- električno gnana vozila,

- vozila gnana z motorji na notranje izgorevanje, - samovozeča vozila na električni pogon.

Zadnja leta je udeležba v razredu električnih vozil najštevilčnejša, saj je v avtoindustriji vse več podjetij, ki se ukvarjajo z električnimi vozili, elektromotorji in izdelavo baterij, saj so glede na onesnaževanje okolja električna vozila najbolj ''čista''. Tekmovanje je zelo tesno povezano z avtomobilsko industrijo, saj so vse ekipe financirane s strani sponzorjev, ki največkrat prihajajo iz te industrije. Vsako leto je večje tudi zanimanje sponzorjev in njihova želja po podpori ekip z električnimi vozili.

Ekipe, ki se želijo udeležiti tekmovanj, se morajo nanje najprej uvrstiti, kar je za večino

(18)

Teoretične osnove in pregled literature

opravile. Tekmovanja so sestavljena iz 2 vrst disciplin, in sicer iz statičnega in dinamičnega dela. Statični del zajema discipline, kot so: predstavitev dirkalnika po sklopih, predstavitev poslovnega načrta projekta, predstavitev stroškov, ki nastanejo pri izdelavi ter predstavitev načrta morebitne masovne proizvodnje dirkalnikov. Dinamični del pa zajema discipline, kjer se šteje čas, in to so: pospeševanje, vožnja osmice (dva kroga v levo in nato dva kroga v desno stran), vožnja na čas (1 krog je dolg približno 1 km) ter vzdržljivostna dirka, kjer se vozi približno 22 km po progi, podobni kot je za vožnjo na čas. Na sliki 2.1 je Tabaluga, dirkalnik za sezono 2020/21, med vožnjo vzdržljivostne dirke.

Slika 2.1: Dirkalnik za sezono 2020/21 na tekmovanju v Avstriji na progi Red Bull Ring

2.2 Kompozitna šasija (monocoque)

Šasija je največji in eden najpomembnejših delov dirkalnika, saj nosi največje obremenitve, ki se iz dirkaške podlage preko podvozja nanjo prenašajo ter obenem služi tudi kot zaščita voznika in komponent, ki so pozicionirane znotraj nje. Glede na vrsto in material, iz katerega je zgrajena, poznamo 3 vrste šasij, in sicer: kompozitna struktura šasije (monocoque), cevno strukturirana šasija ter hibridna šasija, ki je zgrajena delno iz kompozitov ter delno iz jeklenih cevi. V ekipi tako že tretje leto izdelujemo kompozitno šasijo, natančneje zgrajeno iz t. i. sendvič strukture, ki jo tvorijo karbonska vlakna ter aramidni honeycomb za izboljšano tlačno trdnost ter posledično torzijsko togost, kar je v dirkaškem svetu zelo pomembna lastnost, saj omogoča boljše vozne lastnosti dirkalnika.

Beseda monocoque pomeni predvsem način gradnje nekega objekta, lahko je to trup letala, rakete, avtomobila, kolesa ali pa kot v našem primeru formule. Za boljšo predstavo je na

(19)

sliki 2.2 prikazana šasija za dirkalnik Tabaluga. Za ta tip gradnje struktur je značilno, da zunanji del strukture prenaša vse zunanje obremenitve, ki se pri obratovanju nekega objekta pojavljajo. Značilno je tudi, da je struktura zgrajena iz enega kosa, kar pomeni, da struktura nima šibkih točk na mestih, kjer bi bila struktura iz več kosov vijačena, lepljena ali varjena med seboj, kar daje izdelku večjo trdnost in togost.

Slika 2.2: Monocoque iz karbonskih vlaken dirkalnika za sezono 2020/21

2.3 Karbonska vlakna in sendvič strukture

Karbonska vlakna ali tudi ogljikova vlakna so v industrijah, kjer je zaželena čim večja trdnost izdelka in hkrati čim manjša masa, vedno pogosteje uporabljena. Ker so v obliki vlaken, so zato v smeri potekanja vlakna najmočnejša, v smeri pravokotno na vlakno pa ne nosijo nič. Zato se ogljikova vlakna plete v različno debele zaplate vlaken, kjer je usmerjenost vlaken najpogosteje v smeri 0/45 stopinj, saj se s takim pletenjem pokrije vse smeri, kjer se lahko pojavijo obremenitve. Obstajajo pa tudi pletenja, kjer so vlakna usmerjena samo v eni smeri, zato nosijo tudi ime usmerjena vlaka (UD vlakna).

Ker je s samo eno zaplato vlaken največkrat težko doseči želeno trdnost laminata, se vlakna največkrat polagajo v več slojih, odvisno kakšno trdnost končnega izdelka želimo doseči ter tudi kakšna je lahko njegova največja končna teža. Največkrat se laminate v več slojih položi

(20)

smeri, iz katerih se lahko pojavijo obremenitve na izdelku, ko ta opravlja svojo funkcijo, za katero je bil zasnovan. Ker je z vlakni največkrat težko doseči željeno trdnost (predvsem tlačno) in togost laminata ali bi bilo za doseg le teh potrebno nanositi zelo debel sloj vlaken, se za rešitev tega karbonskim vlaknom dodajajo tako imenovane sredice (ang. core), ki zaradi strukture – pogosto se uporabljajo posebne strukture v obliki čebeljega satovja – zelo dobro prenašajo tlačne obremenitve. Prednost teh sredic v obliki satovij, ki so lahko iz aluminija ali aramida, je ta, da so zaradi posebne oblike zelo lahki in trdni hkrati. Oba materiala sta prikazana na sliki 2.3. Tako lahko izdelke z zahtevami po veliki trdnosti in togosti izdelujemo s t. i. ''sendvič strukturami'', kjer na vsako stran sredice dodamo željeno število plasti karbonskih vlaken in s tem dobimo poleg želenih mehanskih lastnosti tudi zelo nizko maso laminata.

Slika 2.3: Aluminijasti honeycomb (levo) in aramidni (desno)

2.4 Deformacije

Deformacije se v strojništvu kažejo kot sprememba oblike ali velikosti nekega objekta, na katerega je v neki smeri delovala sila določene velikosti. Posledica deformacije je tako premik objekta na veliko manjši skali kot je velikost objekta. Premiki se največkrat in najlažje vidijo, če bi opazovali določeno točko na objektu, preden je ta obremenjen z neko silo, medtem ko nanj deluje določena obremenitev. Točka, ki jo opazujemo, bi se na objektu zamaknila za neko neznano dolžino, kar je posledica deformacije objekta. Deformacija je relativna notranja sprememba oblike diferencialno majhnega delčka (za lažjo predstavo lahko rečemo tudi kocka) materiala in jo lahko izrazimo kot majhno spremembo dolžine in kota namišljene kocke. Posledica delovanja sil na diferencialno majhno kocko so napetosti, ki se pojavijo v kocki. Na sliki 2.4 je prikazan splošni napetost-relativni raztezek diagram za kovine.

(21)

Poznamo več vrst deformacij, ki lahko nastopijo pri obremenitvi nekega predmeta; odvisno od njegove velikosti, smeri obremenitve, velikosti sile itd. Najprej nastopi elastična deformacija, nato plastična deformacija in nato se lahko pojavi tudi razpoka v materialu.

Elastična deformacija se pojavi na obremenjenem objektu začasno, saj se po razbremenitvi objekt povrne v začetno stanje brez posledic na strukturi. Elastično deformiranje objekta je zelo odvisno od materiala, saj so se nekateri materiali, kot so jeklo, beton itd. sposobni zelo malo (že na mikro nivoju) elastično deformirati, po drugi strani pa so materiali, kot so polimeri (elastomeri), sposobni zelo velike elastične deformacije. Plastična deformacija objekta se pojavi po tem, ko se obremenjen predmet deformira elastično, a je sila, s katero je bil obremenjen, še vedno prisotna ali se ta še veča. Značilnost plastičnega deformiranja izdelka je, da se po prenehanju sile, s katero je bil obremenjen in postavljen v plastično območje, ne vrne več v prvotno obliko kot po elastičnem deformiranju, ampak so deformacije prisotne in jih ni možno odpraviti samo z ustavitvijo obremenjevanja izdelka.

Dostikrat je kot posledica plastično obremenjenega izdelka razlika v njegovi dimenziji (na mikro skali). Plastična deformacija (vidna s prostim očesom ali ne) je lahko znak, da je izdelek poddimenzioniran, ali pa so obremenitve, za katere je bil narejen v realnosti, večje kot se jih je upoštevalo pri konstrukciji izdelka. Razpoka se pojavi po tem, ko material preide elastično in plastično območje. Takrat se struktura izdelka močno oslabi in se razpoke lahko naprej širijo tudi z manjšimi silami kot so bile potrebne za nastanek razpoke.

Poglavje 2.4 je delno povzeto po [1].

Slika 2.4: Splošni sigma-epsilon diagram za kovine, povzeto po [6]

(22)

deformiranja zaradi svojih lastnosti zelo drugačni. Pri ogljikovih vlaknih se nekako pojavi samo elastična deformacija, saj se pod delovanjem obremenitve lahko upognejo in še vedno opravljajo funkcijo, za katero so bila zasnovana. Po elastični deformaciji tudi tukaj nastopi plastična deformacija, vendar čisto na koncu, preden se na objektu pojavi razpoka ali zlom.

Ko sila neha delovati, se vrnejo nazaj v začetno stanje. Ko pri obremenjevanju z neko silo presežemo elastično območje, takoj nastopi porušitev vlaken, kar lahko vodi v uničenje izdelka in veliko nevarnost, če je ta izdelek del nekega sistema. Na sliki 2.5 je prikazan graf poteka 3-točkovnega upogibnega testa za eno izmed sendvič struktur, ki so tudi uporabljene na šasiji dirkalnika, kjer merimo silo s katero potiskamo jeklen valj nekega premera na sredini testiranega laminata. Raztezek pa pove za koliko se testirani laminat upogne oz. za koliko se pomakne sredinski valj in posledično tudi laminat. Problem pri karbonskih vlaknih je tudi ta, da je težko napovedati, kdaj in pod katero silo bo nek del odpovedal, četudi smo izvajali simulacije za nek določen del, saj je težko povsem poustvariti okolje, v katerem bo izdelek obratoval (velikost obremenitev, smer obremenitev, cikli nastopanja obremenitev itd.). Zato je pri konstruiranju izdelkov iz karbonskih vlaken zelo pomembno izvajanje simulacij v virtualnem okolju in validacija le teh v realnem okolju, saj lahko le tako poustvarimo neko realno delovanje obremenitev, katerim bo izdelek podvržen v svoji življenjski dobi. Postopek je lahko tudi iterativen predvsem v smeri optimizacije teže izdelka, tako da to zmanjšujemo in z varne strani počasi hodimo proti meji (zmanjšujemo faktor varnosti), kjer je izdelek še ravno dovolj trden, da zdrži vse obremenitve.

Slika 2.5: Primer Sila-pomik diagrama za enega izmed laminatov, ki je uporabljen na šasiji dirkalnika sezone 2020/21 (lastni vir)

2.5 Merilni uporovni lističi

Merilni uporovni listič je senzor, ki se mu spreminja upornost glede na velikost in smer obremenitve (sile), ki se pojavi pri neki aplikaciji. Slika 3.1 prikazuje najbolj osnovni merilni listič. Deluje tako, da se tanka kovinska mreža, ki je glavni sestavni del lističa, deformira in s tem povzroči spremembo upornosti lističa (povečanje ali zmanjšanje upornosti, odvisno ali

(23)

se kovinska mrežica podaljša ali skrči). S pomočjo ustreznega merilnega pretvornika in ustreznega umerjanja merilnega sistema pa lahko spremembo upornosti in kasneje spremembo električne napetosti pretvorimo v mehanske napetosti, silo, relativno deformacijo, tlak itd., ki deluje na nekem objektu v določenih pogojih in s tem lahko dobimo zelo podrobno sliko, kaj se merjenim objektom dogaja (odvisno kaj in v kakšnih pogojih želimo meriti). Ko na merjeni objekt delujejo zunanje obremenitve, se na merjenem objektu pojavijo napetosti in deformacije.

Merilni lističi so v industriji zelo široko uporabljeni, saj predstavljajo enega najpomembnejših električnih merilnih zaznaval, ki se ga lahko uporablja za merjenje mehanskih veličin.

Slika 2.6: Prikaz in delovanje osnovnega uporovnega merilnega lističa, povzeto po [6]

Merilni uporovni listič je zgrajen iz na obremenitve občutljive merilne mrežice, baze lističa, zaščitnega prekrivnega sloja in terminalov, s pomočjo katerih listič povežemo v željeno mostično vezavo. Za boljšo predstavo je na sliki 3.2 prikazana slika zgradbe merilnega lističa.

Občutljiva mrežica je posebno oblikovana mrežica, ki je narejena iz žice ali folije, ki je lahko iz različnih materialov (po navadi iz zlitine različnih kovin). Njena lastnost je ta, da pretvori deformacijo nekega merjenega objekta v relativno spremembo upornosti. Je zelo občutljiva in je osrednji element merilnega lističa, saj je od njenih lastnosti odvisna meritev v neki aplikaciji.

Baza lističa je tudi ključni del samega lističa, saj je edina povezava med merjenim objektom in občutljivo merilno mrežico lističa.

Zaščitni prekrivni sloj ima predvsem vlogo zaščite občutljive merilne mrežice pred mehanskimi poškodbami in oksidacijo ter povišanimi temperaturami. Zgrajen je iz papirja,

(24)

Terminal merilnega lističa je povezan z merilno mrežico lističa in služi za njegovo vezavo.

Terminal mora imeti nizko upornost in majhen temperaturni koeficient upornosti. Material terminala je običajno baker, srebro, nikelj, nerjavno jeklo, platina itd.

Slika 2.7: Prikaz zgradbe merilnega lističa, povzeto po [1]

Obstaja več vrst merilnih uporovnih lističev, nekateri so prikazani na sliki 3.3, in sicer:

• linearni merilni lističi z eno merilno mrežico za merjenje obremenitev le v eni smeri in so tudi najbolj splošni primer lističev.

• Lističi z dvema merilnima mrežicama med seboj zamaknjenima za 90 stopinj

za zaznavanje obremenitev v dveh smereh.

• Lističi z dvema merilnima mrežicama med seboj zamaknjenima za 45 stopinj

za zaznavanje na strižno ali torzijsko obremenjenih objektih.

• Merilne rozete s 3 mrežicami med seboj zamaknjenimi za različen kot, ki služijo za zaznavanje obremenitev v različnih smereh.

• Polno mostični merilni lističi s 4 merilnimi mrežicami za uporabo na natezno/tlačnih palicah, torzijskih palicah ali za določitev strižnih napetosti.

• Merilni lističi z 10 ali več merilnimi mrežicami za določanje napetostnih gradientov na objektih.

Poglavje 2.5 je delno povzeto po [8].

(25)

Slika 2.8: Prikaz različnih tipov merilnih lističev: a) linearni, b) listič z dvema merilnima mrežicama med seboj zamaknjenima za 90 stopinj, c) merilni listič z dvema merilnima mrežicama med seboj zamaknjenima za 45 stopinj, d) merilni listič z dvema merilnima mrežicama postavljeni v isti smeri, e) merilni listič s tremi merilnimi mrežicami, f) merilni listič z 10 ali več mrežicami, g) polno mostični merilni listič, h) uporovni

merilni listič za mehanske merilnike tlaka, povzeto po [8]

2.6 Postavitev in vezava merilnih lističev v Wheatstonov mostič

Pri uporabi merilnih lističev v različnih merilnih verigah za merjenje različnih veličin (kar nas pač pri neki aplikaciji zanima) te vežemo v t. i. Wheatstonov mostič, ki je mostično vezje za merjenje električne upornosti. Wheatstonovo mostično vezje je vezava 2 serij vzporedno vezanih uporov povezanih med napetostni vir. Ima dva vhodna in dva izhodna terminala sestavljena iz 4 uporov, postavljenih v obliki diamanta. Značilnost take vezave je, da je zelo dobra za merjenje majhnih sprememb upornosti in je na področju merjenja različnih veličin zelo pogosto uporabljena. Zelo uporabljen je tudi pri merjenju z merilnimi uporovnimi lističi. Za merjenje s tovrstnimi zaznavali so v uporabi v splošnem 3 različne vezave. Če imamo v mostiču samo en upor spreminjajoče upornosti (1 merilni listič), imenujemo tako vezavo četrtinska vezava. Če imamo v mostiču 2 upora spreminjajoče upornosti, govorimo o polmostični vezavi. Slika 3.4 prikazuje vezavo enega lističa v Wheatstonov mostiček.

Mostična vezava, kjer je aktivno spreminjajoč samo en upor, torej četrtinska vezava, pomeni, da imamo v mostiču vezan en aktivni upor, torej merilni listič in 3 stalne upore. Problem take vezave je v tem, da vpliv temperature ni kompenziran in da so normalne in upogibne obremenitve superponirane. Postavitev takega sistema je dokaj enostavna. S tako vezavo se lahko meri osne sile v eni smeri (odvisno od uporabljenega lističa).

Mostična vezava, kjer sta vezana dva aktivno spreminjajoča upora (merilna lističa),

(26)

pravilni postavitvi lističev na sistem. S takšno vezavo lahko merimo vplive obremenitev v več smereh (odvisno od uporabljenih lističev, vendar pri tem dobimo seštevek vseh obremenitev).

Mostična vezava, kjer so štirje upori aktivni (merilni lističi) imenujemo polnomostična vezava. Tudi pri tej vezavi je vpliv temperature zaradi kompenzacije zelo majhen. Smer obremenitve je možno ugotoviti ob pravilni postavitvi lističev. S takšno postavitvijo lahko merimo tudi posledice torzijskih in strižnih obremenitev (odvisno od postavitve).

Slika 2.9: Wheatstonov mostič, kjer Rx označuje upor s spremenljivo upornostjo, torej merilni listič, povzeto po [6]

Poglavje 2.6 je delno povzeto po [8]

(27)

3. Metodologija raziskave

V raziskovalnem delu zaključne naloge bodo podrobno predstavljeni rezultati numerične simulacije in izbira merilnega mesta na šasiji dirkalnika in najprimernejša postavitev merilnih lističev za čim bolj točno pridobljene rezultate za naš objekt in način merjenja, torej merjenje deformacij šasije dirkalnika Formula študent sezone 2020/21 med vožnjo. Nadalje bo predstavljen tudi postopek implementiranja lističev na najbolj deformabilni del karbonske šasije ter tudi vezava lističev na ustrezni merilni pretvornik, ki bo v našem primeru Dewesoftov Minitaurs. In na koncu še prikaz nastavitve merilnega pretvornika.

3.1 Pregled rezultatov numerične simulacije ter določitev mesta namestitve lističev na šasijo

V naslednjem koraku je za lažje razumevanje naloge in predvsem za določitev mesta merjenja deformacij (uporaba merilnih uporovnih lističev) na šasiji potrebno predstaviti in pregledati pogoje, v katerih po navadi obratuje dirkalnik in premisliti, če so možne poenostavitve merilnega sistema. V nalogi obravnavamo šasijo, ki je eden večjih in kompleksnejših delov dirkalnika, zato tudi njeno načrtovanje in izdelava težavna brez predhodnih simulacij, kjer se določi potrebno število slojev karbona in debelina sendvič struktur na posameznih delih šasije. Tako smo tudi za lažje razumevanje te naloge uporabili rezultate numeričnih simulacij, ki je bila izvedena v [1], kjer smo pregledali, na katerih mestih na šasiji se pojavljajo večje oziroma kritične napetosti, kar bi lahko močno povečalo možnosti nastanka kritičnih razpok in najverjetneje vodilo h kritični poškodbi šasije ter tudi samega dirkalnika.

Numerična simulacija je bila izvedena v programskem okolju Abaqus. Postavitev

(28)

Metodologija raziskave ter določitev mesta merjenja v raziskovalnem delu si bomo v tem delu predvsem pogledali sliko deformacij, ki jo dobimo iz numerične simulacije šasije. Numerični model je bil postavljen ob naslednjih predpostavkah: zadnji del šasije, kjer so pritrjene obese, ki so nato prek premnika in pesta povezane z gumo, so bile fiksirane tako, da premik zadnjega dela ni mogoč. Nato se je na sprednjem delu šasije prek dvojice sil na ročici obremenil sprednji del z velikostjo obremenitve, ki je bila izmerjena in se pojavlja na dirkalniku v realnem okolju – torej na dirkališču.

Kot rezultat izvedene simulacije lahko na sliki 3.1 vidimo, da se največje deformacije pojavljajo na sredini šasije v predelu t. i. ''bokov'', kjer je prostor za vpetje baterije v dirkalnik. Najverjetneje je vpliv deformacij tam največji zaradi oblike in oddaljenosti te strukture od osi, saj je laminat plan te strukture zelo podoben vsem ostalim vertikalnim površinam celotne strukture šasije. Velikost teh deformacij naj bi bila po simulaciji okoli 7x10⁻⁶. Če bi želeli na temu mestu na šasiji manjše deformacije bi to najlažje storili z večanjem debeline laminata na posameznih mestih in v okolici, kjer bi imele te deformacije blizu ali celo kritične vrednosti za šasijo. Kot lahko vidimo, v našem primeru posebne ojačitve laminatov niso potrebne, saj so deformacije na varni strani, kar pomeni, da ne bi smele vplivati na vožnjo in varnost celotnega dirkalnika.

Slika 3.1: Rezultati simulacije šasije dirkalnika sezone 2020/21. Prikazane so deformacije šasije, ki so za izvedbo same zaključne naloge tudi najbolj pomembne, povzeto po [1]

Za nadaljnji potek zaključne naloge smo tako odkrili, kje oziroma za kateri del šasije bi bilo smiselno preveriti tudi v realnosti. Glede na obliko naše šasije se zdi to mesto tudi brez izvedbe simulacij nekako najbolj dovzetno za deformacije zaradi oddaljenosti od sredine šasije ter oblike. Tako lahko sklepamo, da je najprimernejše mesto, kamor bi postavili merilne uporovne lističe, vertikalna površina boka, kjer je mesto za vpetje baterije, kar prikazuje tudi slika 3.2.

(29)

Metodologija raziskave

Slika 3.2: Mesto namestitve lističev in posledičnega merjenja na dejanski šasiji

Lističe bomo torej postavili na mesto, ki je na sliki 3.2 označeno z rdečim kvadratom. Ideja izvedbe merjenja je, da bomo lističe namestili na zunanji in notranji strani šasije. Za lažjo vizualizacijo ter razumevanje izbire načina merjenja si lahko zamislimo merilno mesto kot ploščo neke debeline (okoli 4 mm), obremenjeno z notranjim napetostnim stanjem v neznanih smereh ter neznane velikosti. Ideja o apliciranju merilnih lističih je bila, da s postavitvijo in kasnejšo vezavo le teh v želeno in najbolj optimalno mostično vezavo za naš primer, da en mostič torej 2 lističa na vsako stran postavimo v smereh navideznih glavnih osi, torej x in z os, ter 2 lističa na vsako stran postavimo pod kotom 45 stopinj glede na glavne osi. S tako postavitvijo bi lahko iz rezultatov meritev videli, v katerih smereh se pojavljajo večje obremenitve na izbrano mesto na šasiji. S tem bi lahko tudi ugotovili približne obremenitve, ki delujejo na našo namišljeno ploščo – predvsem ali so to natezne ali tlačne, torzijske strižne obremenitve ali pa se pojavljajo mešane obremenitve. Za kompleksen objekt, kar naš dirkalnik je, bi lahko mislili, da so te obremenitve vse prej kot samo v smeri glavnih osi, torej se da pojavljajo mešane obremenitve.

3.2 Izbira in namestitev uporovnih merilnih lističev na šasijo ter vezava Wheatstonov mostič

Za naš primer merjenja z uporovnimi merilnimi lističi smo po podrobni raziskavi trga in katalogov proizvajalcev tovrstnih lističev ter primerov merjenja in priporočil, katera vrsta lističev je za neko aplikacijo merjenja primerna, prišli do lističev, ki bi bili za našo aplikacijo

(30)

Glede na to, da v našem primeru ne poznamo smeri obremenitev, ki se bodo na merilnem mestu pojavile, bi lahko za merjenje izbrali t. i. merilne rozete, vendar bi s tem dobili seštevek deformacij v vseh smereh in ne velikosti deformacij v posameznih smereh. Na sliki 3.3 lahko levo vidimo merilne rozete in desno uporabljene lističe. Lističi so znamke proizvajalca HBM, tipa 1-XY3X-3-350, kjer zadnja številka, torej 350, pomeni začetno imensko upornost lističa v ohmih.

Slika 3.3: Naši aplikaciji najbolj primerna merilna rozeta levo ter izbrani in v naši merilni verigi uporabljeni merilni lističi desno, povzeto po[8]

Potem ko smo izbrali mesto merjenja in merilne lističe, smo imeli poleg drobnega materiala (žice, kabel za vezavo mostiča na konektor, lepilo za apliciranje lističev ter material za namestitev lističa), ki je potreben za vezavo in apliciranje lističev, vse potrebno za namestitev našega merilnega sistema.

Za pravilno namestitev lističev, da jih med procesom namestitve ne poškodujemo, moramo merilno mesto (na šasiji) na to pripraviti. Tako površino (karbon) z brusnim papirjem očistimo in zgladimo do te mere, da je na mestu, kamor pritrdimo listič, res samo karbon brez nečistoč. Podroben postopek lepljenja in vezave lističev ter uporabljene opreme je predstavljen na sliki 3.5, kjer si slike sledijo po vrsti od leve proti desni v prvi in nato drugi vrsti, kjer je na koncu še prikazana uporabljena oprema za namestitev lističev. Nato površino s posebnim čistilnim sredstvom (v našem primeru smo uporabili etanol dobro očistimo ter s tem poskrbimo, da bo spoj med karbonom in lističem res močan. Potem ko smo površino namestitve lističev dobro pripravili in očistili, se posvetimo pripravi lističa. Merilni uporovni listek vzamemo iz posebne zaščitne folije ter ga položimo na čisto gazo, tako da je stran, kjer ima listek priključke za vezavo v mostič, obrnjena navzgor. Nato vzamemo prozoren lepilni trak in ga nalepimo na listič, tako da ne prelepimo terminalov. Vzamemo posebno lepilo, ki je uporabljeno za lepljenje lističev znamke Performance Polymers, v našem primeru je to dvokomponentna mešanica (metil-metakrilat). Na leseni ploščici obe komponenti lepila med seboj dobro zmešamo ter ga nanesemo na prej dobro očiščeno mesto merjenja na šasiji. Priporočljivo je, da je debelina sloja lepila okoli 8 mikronov metra, kar je s prosto roko ter očesom težko zadeti, zato nanesemo res tanek sloj lepila. Nato vzamemo lepilni trak z nalepljenim listkom ter ga postavimo na želeno mesto in pod želenim kotom (torej enega pod kotom 0 stopinj, drugega pa pod 45 stopinj) ter pritisnemo trak na površino.

Nato vzamemo vnaprej pripravljen teflonski trak proizvajalca 3M ter z njim pritisnemo listič na površino ter počakamo nekaj minut, da se lepilo začne strjevati. Podobno storimo tudi na notranji strani šasije in pri tem zelo pazimo, da listke tam prilepimo na isto mesto kot na zunanji strani, saj s tem poskrbimo za točnost meritve, saj merimo isto mesto le na drugi strani karbonskega sloja. Ko imamo lističe na mestu, jih z žicami povežemo v ustrezno

(31)

vezavo in nato na konektor. Na sliki 3.4 je prikazana postavitev lističev, kot je uporabljena tudi v našem primeru.

Slika 3.4: Vezava lističev, ki je uporabljena tudi v našem primeru, povzeto po [8]

Ko so lističi povezani, na njih vežemo le še kabel, na katerega na drugi strani povežemo Dsub9 konektor, ki ga bomo kasneje vstavili v naš merilni pretvornik.

Slika 3.5: Prikaz postopka lepljenja in vezave lističev na željeno mesto, ter prikaz uporabljene opreme

(32)

3.3 Predstavitev merilne verige in nastavitev merilnega sistema

Za aplikacijo merjenja deformacij šasije s pomočjo merilnih uporovnih lističev potrebujemo poleg merilnih lističev ter povezovalnega kabla tudi merilni pretvornik za zajem in pretvorbo podatkov. Vsa potrebna oprema in merilno mesto na dirkalniku prikazuje slika 3.6.

Slika 3.6: uporabljen merilni sistem: zaščiteno merilno mesto z lističi, merilni pretvornik znamke Dewesoft – Minitaur z baterijo, ter zaslon za pregled rezultatov

Naša merilna veriga je torej sestavljena iz merilnih lističev, ki so povezani med seboj v polnomostično Wheatstonovo vezavo. Kot smo že navedli zgoraj, imamo 2 polnomostični vezavi (4 lističi povezani med seboj), ena, ki meri obremenitve v smeri glavnih osi ter drugo, ki meri obremenitve v smeri 45 stopinj. Tako imamo iz vsake vezave en kabel, ki je na koncu prek konektorja pritrjen v naš merilni pretvornik, v našem primeru je to Dewesoftov Minitaur.

Minitaur je merilna enota proizvajalca Dewesoft, ki ima integrirani A/D pretvornik, modul za obdelavo signalov ter računalnik z nameščenim programom za zajem podatkov. Ima več analognih ter digitalnih vhodov. Na sliki 3.7 je tudi prikazan. Omogoča frekvenco vzorčenja do 200.000 podatkov na sekundo pri 24-bitni resoluciji.

(33)

Slika 3.7: Merilni pretvornik znamke Dewesoft, povzeto po [6]

Na koncu imamo za nastavitev merilnega pretvornika za naš merilni sistem v merilni pretvornik (računalnik) priključen še ekran, miško ter tipkovnico. Zaradi izvedbe merjenja monitor ne more biti v pretvorniku ves čas, zato pred in po meritvi nastavimo v merilnem pretvorniku avtomatsko shranjevanje oziroma zajem podatkov ter tako poskrbimo, da se merjenje odvija med vožnjo dirkalnika.

Naš merilni sistem je bilo potrebno pred meritvijo tudi nastaviti, saj ima pretvornik veliko funkcij ter parametrov, ki jih je treba za vsako vrsto meritev specifično nastaviti. Na sliki 3.8 je prikazana podrobna predstavitev nastavitve našega merilnega pretvornika posebej za našo aplikacijo. Za lažjo predstavo in razumevanje nastavitev bomo bolj podrobno predstavili namestitve, ki so obarvane s kvadratki različnih barv.

(34)

Slika 3.8: Nastavitve merilnega sistema v merilnem pretvorniku torej Dewesoftovem Minitauru

Na sliki 3.9 so predstavljene nastavitve ki so bile na sliki 3.8 označene s svetlo rdečo barvo.

Po vrsti najprej nastavimo vrsto merjenja, torej Wheatstonov mostič (ter v predzadnji vrsti definiramo, da je ta polnomostičen). Nato nastavimo območje merjenja napetosti, nato nastavimo vrsto nizko prepustnega filtra in frekvenco, ki še prepušča, torej pod in do 100 Hz. Na koncu nastavimo še napajalno napetost mostiča.

Slika 3.9: Predstavitev nastavitev prikazanih v rdečem kvadratku zgoraj levo

(35)

V rumenem kvadratku na sliki 3.8 je prikazana vezava povezav na konektor, ki je priklopljen na merilni pretvornik.

V zelenem kvadratku desno zgoraj na sliki 3.8 je prikazan izbor mehanske veličine, ki jo merimo – v našem primeru specifične deformacije z enoto μm/m (premik navidezno majhne točke na celotni dolžini objekta, torej razmerje med dolžino raztezka in začetno dolžino objekta).

Na sliki 3.10 je v prvi vrstici predstavljen faktor deformacije (koeficient občutljivosti) merilnega lističa, kar predstavlja razmerje med relativno spremembo električne upornosti in mehanske deformacije. Nato je potrebno definirati postavitev lističev, kar je v našem primeru glede na vrsto izbranih lističev in njihovo postavitev na zunanjo in notranjo stran šasije enako, kot je na sliki 3.10 tudi prikazano. Nato nastavimo še material objekta, ki ga merimo, kar so v našem primeru karbonska vlakna, ki jih pretvornik ne ponuja kot opcijo, zato nastavimo to izberemo kot opcijo custom (zadnje parametre izbere glede na izbrano vrsto materiala pretvornik sam).

Slika 3.10: Predstavitev nastavitev prikazanih v rdečem kvadratku spodaj desno

Potem ko vse parametre uspešno nastavimo, lahko med nastavitvijo sistema spodaj levo

(36)

se sistem odziva, lahko dirkalnik pripravimo na izvedbo meritve. Zgoraj opisane nastavitve merilnega sistema ponovimo za oba naša mostiča, torej v nadaljevanju za kanal 0 in 1.

(37)

4. Rezultati

4.1 Predstavitev izvedbe meritve

Meritev lahko v našem primeru poenostavimo oziroma problem definiramo samo za eno polovico šasije. Ideja je, da namestimo naš merilni sistem, torej lističe postavljene in vezane le na eno polovico šasij. Če si zamislimo, da dirkalnik vozi desni ovinek, se bo desna polovica na mestu merjenja skrčila, na drugi polovici na mestu merjenja pa raztegnila. V realnosti te vrednosti zaradi različnih vplivov ne bodo enake (nehomogen material, napake v materialu, drugačne dimenzije na mestu merjenja …). Za namen naše raziskave bo ta poenostavitev dovolj nepomembna oziroma ne bo vplivala na razliko v velikosti vrednosti v kritični meri.

Meritev bomo torej izvedli z lističi samo na eni polovici na mestu, kjer naj bi bile glede na rezultate simulacije deformacije največje. To pomeni, da moramo dobro določiti progo oziroma način vožnje dirkalnika v postopku merjenja, prvič, da bodo vrednosti deformacij res največje oziroma da bomo zajeli velikosti deformacij take ali še večje, kot se pojavljajo na dirkalniku med samo vožnjo po progi na tekmovanju, in drugič, da bo polovica ... (česa) obremenjena tako, da bodo smer deformacij v vseh smereh (npr. vozimo za potrebe merjenja leve in desne ovinke). Najbolje bi bilo, da bi merjenje izvedli na progi, kot se pojavljajo tudi na tekmovanjih Formula študent, vendar bomo zaradi zasedenosti prog ter zasedenega urnika (v času nastanka te naloge so bila v roku enega meseca predvidena tri tekmovanja) progo oziroma način izvedbe merjenja malce prilagodili. Tako bomo merjenje izvedli tako, da bo dirkalnik vozil skidpad (osmica), kar je tudi ena izmed disciplin na tekmovanju, ki jo lahko tudi vidimo na sliki 4.1. Zaradi oblike proge pri vožnji osmice in relativno visokih hitrosti, ki se tam pojavljajo, lahko predvidevamo, da je dirkalnik tudi v tem primeru vožnje podvržen velikim obremenitvam in posledično deformacijam.

(38)

Rezultati

Slika 4.1: Primer postavitve proge za disciplino imenovano skidpad (vožnja osmice), povzeto po [9]

4.2 Predstavitev rezultatov

V predstavitvi rezultatov bomo povzeli dogajanje in obnašanje šasije dirkalnika ter posledično vpliva na naš merilni sistem. Kot smo že definirali v poglavju X, imamo na dirkalniku na mestu največjih deformacij (glede na rezultate numerične simulacije) nameščena dva merilna sistema. Prvi merilni sistem (kasneje na grafu označen kot vezava 1) nam meri deformacije v smeri glavnih osi (torej pod 90 in 0 stopinjami), kjer pričakujemo manjše obremenitve kot pri vezavi 2, ki meri deformacije pod kotom 45 stopinj, saj druga vezava meri tudi obremenitve kot so torzija in strig.

Na sliki 4.2 ter sliki 4.3 lahko vidimo rezultate, ki smo jih dobili z merilnim sistemom z imenom vezava 1 oz. vezava 2. Na začetku grafa do rumene vertikalne črte lahko vidimo majhne spremembe v relativni deformaciji, kar je posledica tresenja dirkalnika, med nameščanjem merilne opreme vanj ter sedanja voznika v avto. Nato od rumene vertikalne črte naprej vidimo večje spremembe v relativni deformaciji, kar ponazarja počasno vožnjo in ogrevanje gum dirkalnika. Na koncu, kjer imamo največje sunke ter največje nihanje merilnih signalov, lahko sklepamo, da je to odziv sistema na vožnjo v levih in desnih ovinkih med vožnjo skidpada (osmica). Vidimo lahko, da je takrat sistem najbolj obremenjen in ko približamo graf na največjem vrhu signala, razberemo, da je tam relativna deformacija pri merilnem sistemu vezava 1 dosegla vrh pri 6.57 μm/m, pri čemer moramo upoštevati, da je naša ničla na y osi okoli 1 μm/m, torej je naša dejanska izmerjena vrednost okoli 5.57 μm/m.

Pri merilnem sistemu vezava 2 pa lahko vidimo, da ko je sistem najbolj obremenjen, dobimo največje vrednosti okoli 27 μm/m.

(39)

Rezultati

Slika 4.2: Graf ε (relativna deformacija)-t (čas) za vezavo 1 (torej merilni sistem za merjenje v smeri glavnih osi)

Slika 4.3: Graf ε (relativna deformacija)-t (čas) za vezavo 2 (torej merilni sistem za merjenje pod kotom 45 stopinj glede na glavne osi)

Iz obeh grafov lahko opazimo, da je sistem ki meri deformacije pod kotom 45 stopinj glede na glavne osi veliko bolj obremenjen, in sicer vrhovi vrednosti dosežejo tudi do 27 μm/m, vrhovi v sistemu, ki meri deformacije v smeri glavnih osi pa izmeri vrhove vrednosti do 6.57 μm/m. Sklepamo lahko, da se na samem merjenem objektu, našem dirkalniku, pojavlja več obremenitev naenkrat, torej sestavljene mešane obremenitve. Vidimo lahko tudi razliko v občutljivosti obeh merilnih sistemov(vezava 1 in vezava 2). Merilni sistem vezava 2, ki meri obremenitve v smeri glavnih osi, je manj občutljiv na spremembe stanja kot pa merilni sistem vezava 1. To lahko pomeni, da vsaka obremenitev, ki nastopi, vključuje tudi torzijo in strig.

Na slikah 4.2 in 4.3 lahko vidimo različno gostoto signalov, ki je različna glede na obremenjenost sistema. Vidimo lahko, da ko je dirkalnik vozil leve ali desne ovinke(torej so bile obremenitve največje) se nihanje signalov močno poveča

(40)

5. Diskusija

V zaključni nalogi je bil cilj, da popišemo oziroma določimo velikost deformacij, ki se nam pojavijo na najbolj deformabilnem mestu, ki je bilo določeno preko numerične simulacije.

Za zanimivost zaključne naloge in boljšega prikaza, kakšne obremenitve se nam na merjenem mestu pojavljajo, smo zasnovali oziroma vzpostavili dva merilna sistema. Prvi merilni sistem je meril deformacije v smereh glavnih osi, torej je zajemal le osnovne obremenitve, ki so nam posledično povzročile deformacije. Drugi sistem pa smo vzpostavili pod kotom 45 stopinj glede na glavne osi, saj smo s tem želeli pokazati oziroma dokazati, da na merjeno mesto delujejo ne samo obremenitve v smereh glavnih osi, torej osnovne obremenitve, ampak tudi zahtevnejše in sestavljene obremenitve, kot so torzija, strig itd.

Po pričakovanjih je merilni sistem, ki je meril obremenitve oziroma posledične deformacije nameril večje vrednosti kot sistem, ki je meril v smereh glavnih osi. Po pregledu vrednosti in njihovih razlikah lahko sklepamo, da je merilno mesto in zelo verjetno celotna primarna struktura dirkalnika (šasija) obremenjena veliko bolj kompleksno kot samo na tlak in nateg.

Sama vzpostavitev merilnega sistema in merilne verige je bila za zaključno nalogo najbolj pomembna, od koder lahko izhajajo tudi različni viri merilne negotovosti. Vzroki za merilno negotovost so lahko predvsem:

- poškodba merilnega lističa med postopkom apliciranja na merilno mesto,

- slabo nalepljen merilni listek, merilni listič ni bil v popolnem stiku z merjenim objektom,

- merilni listki niso bili na obeh straneh merjenega objekta nalepljeni na povsem isto mesto, kot smo to pri analizi rezultatov predpostavili.

(41)

6. Zaključki

1) Merjenje deformacij z uporabo merilnih lističev se je v nalogi oziroma po zaključku le te izkazalo za uporabno in zahtevno področje.

2) V nalogi smo pokazali princip uporabe in merjenja z merilnimi lističi.

3) Za nalogo je bilo ključno izbrati lističe, s katerimi bi lahko najbolje in s čim manjšo merilno negotovostjo izmerili vrednosti, ki so nas zanimale, a se je že pri izbiri lističev pokazalo, da jih je na trgu veliko različnih vrst (odvisno od aplikacije merjenja).

4) Verjetno bi z več ponovitvami merjenj in več izkušenj na tem področju lažje izbrali primerno vrsto lističev za določeno aplikacijo merjenja.

Na koncu lahko povzamemo, da je bilo naše merjenje dokaj uspešno, saj smo dobili rezultate, ki so nekako v mejah in vidimo lahko, da so izmerjene vrednosti manjše kot simulirane, ki smo jih imeli za referenco. Dokazali smo tudi, da je mesto merjenja, ki je bilo tudi na simulacijah najbolj obremenjeno, še zmeraj pod kritično obremenitvijo in tam ni pričakovati plastičnih deformacij ali celo porušitve strukture.

Predlogi za nadaljnje delo

Po zaključenih meritvah in dobljenih merilnih rezultatih je predlogov za nadaljnje delo in raziskave veliko. Predvsem bi se lahko osredotočili na izboljšave oz. nadgraditve trenutnega merilnega sistema. Ena od idej je, da bi za merjenje deformacij uporabili lističe, ki zaznajo spremembe le v eni smeri ter bi jih preko merilnega pretvornika povezali v pol mostično Wheatstonovo vezavo in s tem bi dobili velikosti deformacij le v eni smeri in ne seštevka dveh smeri, kot v našem primeru. Lahko bi enak merilni sistem kot je bil uporabljen na eni polovici namestili še na drugo ter dobljene rezultate med seboj primerjali. Če bi bile velikosti vrednosti med seboj različne bi le te lahko pripisali napakam v strukturi, neenakomernem polaganju karbona itd.

(42)

Literatura

[1] Brecelj, M.: Razvoj merilnega sistema za merjenje sil in zasukov v podvozju vozila Formula študent: magistrsko delo. Ljubljana: Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, 2020.

[2] Čretnik, G.: Numerična optimizacija togosti laminiranih kompozitnih struktur:

magistrska naloga. Ljubljana: Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, 2019.

[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.

[5] Hoffmann, K.: An Introduction to Stress Analysis and Transducer Design using Strain Gauges. Tehnično poročilo Hottinger Baldwin Messtechnik, Darmstadt, 1989.

[6] Hoffmann, K.: Practical hints for the installation of strain gages. . Tehnično poročilo Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH 56, 1996.

[7] Predstavitev Formule študent. Dostopno na: https://www.imeche.org/events/formula- student, ogled: 1. 9. 2021.

[8] Strain Measurement Using Strain Gage Sensors. Dostopno na:

https://training.dewesoft.com/online/course/strain-measurement#4-and-6-wire-circuit, ogled: 1. 9. 2021

[9] Webster, J. G.: The Measurement, Instrumentation, and Sensors: Handbook. Springer Science & Business Media, Boca Raton1999.