Formula Student versenyautó futóművének tervezése

Átírás

1 Gépészmérnöki és Informatikai Kar Gép- és Terméktervezési Intézet SZAKDOLGOZAT Formula Student versenyautó futóművének tervezése KÉSZÍTETTE: Zabos Tamás Géptervező hallgató GE8UJY KONZULENS: Dr. Bihari János egyetemi docens Miskolc, 2018.

2 1. Tartalomjegyzék 1. Tartalomjegyzék A feladat háttere Feladat pontosítása Formula Student Versenyszámok ( 1 )... 5 Statikus versenyszámok... 5 Dinamikus versenyszámok... 5 Gyorsulás versenyszám... 5 Skip-Pad versenyszám... 6 Autocross versenyszám... 7 Endurance and efficiency versenyszám A Futóműre vonatkozó versenyszabályzati előírások ( 2 ) A futómű tervezésének szempontjai ( 3 )... 9 Tengelytávolság... 9 Nyomvonal szélessége Elkormányzási tengely, és kormánylegördülési sugár Billenési pillanatnyi centrum, és bólintási centrum Irányítórúd Átterhelődések Ackermann kormányzás Kerékdőlés Kerékösszetartás Futómű tervezése Futómű típus kiválasztása Első futómű típusok ( 4 ) Tekercsrugós merevhidas futóművek MacPherson típusú futóművek Keresztlengőkaros futóművek Hátsó felfüggesztés típusok ( 5 ) Tekercsrugós, és laprugós merevhidas futóművek Duplakeresztlengőkaros felfüggesztés Válaszott futóműtípus A Jelenlegi futómű vizsgálata Szimuláció előkészítése

3 A dinamikus versenyszámokban előforduló pályák szimulálása Környezeti paraméterek A pilóta viselkedése Manőverezési paraméterek Kinematikai és geometriai adatok ( 6 ) Fő adatok Rugózási adatok Geometriai adatok Dinamikai adatok Gumikarakterisztika ( 7 ) Erőátviteli beállítások Aerodinamikai paraméterek Konklúzió Az új futómű geometriájának tervezése A futómű elemeinek konstrukciós tervezése Lengéscsillapítók Himba tervezése: Stabilizátorrendszer Insertek, gussetek: Telemetria Ragasztószerszám tervezése Futómű elemeinek szilárdságtani vizsgálata Lengőkarok vizsgálata Himbák vizsgálata A futómű látványterve Jövőbeli tervek Összefoglalás Summary Irodalomjegyzék

4 2. A feladat háttere A Miskolci Egyetemen 2013-ban megalapult a Formula Racing Miskolc, melynek célja a Formula Student szabályai szerint egy versenyképes autó építése a versenysorozatra. A csapat első autója 2015re készült el. A feladatban a 2017-es versenyszezonra készült autót vizsgálom, mivel ennek továbbfejlesztett típusa indul a 2018-as évben, tehát a futómű csak kis mértékben lesz változtatva. A csapat 2019-re egy teljesen új autó építését tervezi, ezáltal az új futómű tervezésében való szimulációk korlátok közé szorulnak, valamint a tervezés során figyelembe kell venni a tervek változtatásának lehetőségét. 3. Feladat pontosítása A Formula Student versenysorozatra épített versenyautó aktuális futóművének geometriai vizsgálata, elemzése, majd az elemzési eredmények függvényében egy új futómű felfüggesztésének és stabilizátorának geometriai, valamint konstrukciós tervezése, vizsgálata. A tervezett konstrukció várhatóan a 2019-es versenyszezonban lesz használva. 4. Formula Student A Formula Student egy olyan nemzetközi hallgatói mérnökverseny sorozat, melynek célja egy versenyautó tervezése, kivitelezése, valamint az eredmények prezentálása. A versenyszámok két fő részre bonthatók, a statikus és a dinamikus versenyszámokra. A statikus számok a verseny 40%-át teszik ki, mely alatt a hallgatók prezentálják az autóval kapcsolatos műszaki, valamint költségvetési adatokat, valamint bemutatják az autó köré épített üzleti tervüket. A verseny további részében a dinamikus versenyszámokra kerül sor, melyek a továbbiakban részletesebben bemutatásra kerülnek. 4

5 5. Versenyszámok ( 1 ) Egy verseny általában négy napot vesz igénybe, a verseny két fő verseny-típusra osztható fel, a statikus, valamint a dinamikus versenyszámokra. Statikus versenyszámok A statikus versenyszámokban alapvetően az autó bemutatása, prezentálása, valamint az előírásoknak való megfelelés ellenőrzése történik. A statikus versenyszámok a következők: Mérnöki tervezés ellenőrzése Költség és fenntarthatóság elemzés Üzleti bemutató Technikai ellenőrzés (biztonság, váz, zaj, dőlés, fék, és technikai megoldások) Dinamikus versenyszámok Fontos a dinamikus versenyszámokban előírt pályák paramétereinek ismerete, hiszen ez alapján egy pontos pályát tudunk generálni, melyek segítségével a verseny alatt fellépő terheléseket pontosabban tudjuk szimulálni. Gyorsulás versenyszám A gyorsuláson a gépkocsi gyorsulását egy sík úton, egyenes vonalban értékelik. A pálya hossza 75 m. A pályának legalább 4,9 m szélesnek kell lennie A pálya belső szélei közt mérve. Az autó kezdetben a rajtvonal előtt 0,3 m-re áll, majd innen álló helyzetből kell megkezdeni a gyorsulást. Minden csapatnak két versenyzője van, akik mindketten kétszer próbálkozhatnak. ( 1 ): Forrás: [6.] alapján 5

6 Skip-Pad versenyszám A versenyszám célja, hogy felmérje az autó kanyarodási képességét síkfelületen, állandó sugarú íven kanyarodva, így kiemelt szerepet kap a felfüggesztés és a kormány geometriája, mely nagyban befolyásolja a versenyszámban nyújtott teljesítményt. Ahogy az ábra is mutatja, pályát két pár koncentrikus kör alkotja, mely egy nyolcas alakú pályát hoznak létre. Ezen körök középpontjai 18,25 m távolságra helyezkednek el egymástól. A belső körök átmérője 15,25 m, a kis körök átmérője 21,25 m. A pálya szélessége 3 m. Az autó egy szintén 3 m széles egyenes szakaszon lép be- és ki a pályára, mely a körökkel érintőlegesen a körök csatlakozási pontjába vezet. A versenyszám folyamán az időmérés körönként történik. 1. ábra - Sikp-Pad 6

7 Autocross versenyszám Az autocross versenyszám célja az autó manőverezési képességének és kezelhetőségének értékelése. Ez a versenyszám méri fel a gyorsulási, fékezési, és a kanyarodási képességeket. Az verseny alatti átlagsebesség km/h-ra tehető. A pálya felépítése: Egyenesek: 60 m-nél rövidebb, hajtűkanyarral mindkét végén, vagy 45 m-nél rövidebb, széles kanyarokkal a végeken. Egyenletes kanyarok: Átmérője 23 m és 45 m közt. Hajtűkanyarok: Minimum 9 m-es külső átmérővel. Szlalomok: A bóják egyenes vonalban, egymástól m távolságra elhelyezve. Vegyes: Sikánok, többszörös kanyarok, csökkenő sugarú kanyarok, stb. A minimális pályaszélesség 3.5 m. A pálya hossza megközelítőleg km Endurance and efficiency versenyszám Az endurance versenyszám célja, hogy értékelje az autó általános teljesítményét, és tesztelje az autó tartósságát, valamint megbízhatóságát. Ez az esemény egy üzemanyag-takarékossági versenyhez is kapcsolódik, mely során a gazdaságosságot mérik fel. A verseny alatti átlagsebesség km/h-ra tehető. A pálya felépítése Egyenesek: 77 m-nél rövidebb, hajtűkanyarral mindkét végén, vagy 61 m-nél rövidebb, széles kanyarokkal a végeken. Egyenletes kanyarok: Átmérője 30 m és 54 m közt. Hajtűkanyarok: Minimum 9 m-es külső átmérővel. Szlalomok: A bóják egyenes vonalban, egymástól 9 15 m távolságra elhelyezve. Vegyes: Sikánok, többszörös kanyarok, csökkenő sugarú kanyarok, stb. A minimális pályaszélesség 4.5 m. A versenyszám alatt megtett távolság megközelítőleg 22 km 7

8 6. A Futóműre vonatkozó versenyszabályzati előírások ( 2 ) A verseny célja, hogy a hallgatók egy gyártási prototípust hozzanak létre, ami sorozatgyártásra is kerület. A célközönség az amatőr hétvégi autocross versenyzők. Az autónak magas teljesítményt kell nyújtania gyorsításnál, lassításnál, valamint a pályán való manőverezéseknél. Alacsony költséggel kell rendelkeznie, valamint könnyen karbantarthatónak és megbízhatónak kell lennie. A szabályzatból a következő pontoknak kell megfelelni: Tengelytávolság: Az autónak minimum 1525 mm (60 inches) tengelytávolsággal kell rendelkeznie. A tengelytávolságot az első és a hátsó gumik földdel való érintkezéseinek első pontjai közt mérik. Nyomtáv: A jármű nyomtávjai közti eltérés maximum 75% lehet. Felfüggesztés: Az autót teljesen működőképes, lengéscsillapítókkal ellátott felfüggesztéssel kell ellátni, elől és hátul. A kerék mozgásának útja minimum 50.8 mm, 25.4 mm beés kirugózás szükséges, miközben a pilóta az ülésben ül. A versenybírók fenntartják a jogot arra, hogy kizárják azon autókat, melyek nem rendelkeznek teljesen működőképes felfüggesztési rendszerrel, vagy amelyek az Autocross versenyszám alatt nem mutatnak megfelelő kezelhetőséget. A felfüggesztés minden rögzítési pontjának láthatónak kell lennie műszaki ellenőrzés során, közvetlenül vagy a burkolat eltávolítása után. Hasmagasság: Alaphelyzetben, pilótával együtt, minimálisan 25.4 mm távolságnak kell lennie a talaj, valamint az autó bármely alkatrésze közt. Gumiabroncs: Az autónak 2 fajta gumiabronccsal kell rendelkeznie. ( 2 ): Forrás: [6.] alapján 8

9 Száraz gumik Ezeknek a gumiknak kell az autón lenni a műszaki ellenőrzés alatt. Vizes gumik Bármilyen méretűek vagy típusúak lehetnek a következő feltételekkel: - A futófelület mintáját vagy hornyait a gumibabroncs gyártója, vagy annak megbízottja készítette. Minden további vágásnak dokumentummal kell rendelkeznie arról, hogy a szabályzatnak megfelelően történt. - Minimális profilmélység 2.4 mm - Egy tengelyen levő gumiabroncsoknak ugyanolyan méretű, összetételűnek kell lennie, valamint azonos gyártótól kell származnia. - Gumiabroncs melegítők nem engedélyezettek - Tapadást elősegítő anyagok nem adhatók se a gumiabroncshoz, se a pálya felületéhez. 7. A futómű tervezésének szempontjai ( 3 ) A futómű célja, hogy megkönnyítse gumiabroncsok által végzett munkát, valamint, hogy a jármű kezelhetőségét a pilóta számára kiszámíthatóvá tegye. Segít az abroncsokat a talajon tartani, ezáltal jobban ki tudjuk használni azok korlátait. A futómű tervezésénél számos olyan tényezővel találkozunk, mely befolyásolja a futómű viselkedését, s kölcsönhatásba lép vele. A főbb tervezési tényezők: Tengelytávolság Az l tengelytávolság alatt, az első és a hátsó tengelyek közepénk távolságát értjük. A tengelytáv jelentősen befolyásolja a tengelyterhelés eloszlását. Egy nagyobb tengelytáv fékezés és gyorsítás során kisebb terheléseloszlás változást biztosít az első és a hátsó tengely közt. ( 3 ): Forrás: [8.] alapján 9

10 2. ábra Tengelytávolság Terhelőerők értéke a x gyorsulás esetén: F z1 = (1 λ) κ a x m (1) F z2 = λ mg + κ a x m (2) A nagyobb tengelytávhoz tehát lágyabb rugók használhatók, mely növelheti az utazási komfortot. Ezzel ellentétben egy kis tengelytávval rendelkező autó ugyanazzal a kormánybemeneti szöggel kisebb ívben tud fordulni, hátránya viszont, hogy agresszívabb reakció jellemző rá. Tervezés során figyelembe kell venni azokat az egyéb funkciókat melyek hasonlóan hatással vannak az átterhelődésre. Nyomvonal szélessége A nyomvonal szélessége nagy hatással van a jármű kanyarodási viselkedésére így jelentős tényező a tervezési folyamatkor. Minél nagyobb a nyomvonal szélesség, annál kisebb kanyarodáskor az oldalirányú átterhelődés, és fordítva. A nagyobb nyomvonal szélesség hátránya, hogy nagyobb oldalirányú mozgás szükséges az akadályok kikerülésénél. 10

11 F z2 = μ lat h CG tw 2 (3) A nyomtáv egy tengely két kerékének talppontjai közti távolság. A nyomtáv változását ebből következően a talppontok keresztirányú elmozdulása idézi elő. A nyomtáv változását egyenes irányú haladás esetén vizsgálják, miközben a felépítmény változó bólintó mozgást végez, amit a váltakozó lassítás gyorsítás idéz elő. A nyomtávváltozás általában káros jelenség, miután a keresztben elmozduló kerekek megcsúszhatnak, melynek következtében csökken a kerék tapadása, a jármű elvesztheti a stabilitását. A merev hidas futóműveknél nincs nyomtávváltozás, míg független felfüggesztési futóműveknél a kerék kiberugózása, a kerékdőlés, az összetartás változása a nyomtáv jelentős változását idézheti elő. A már említett vizsgálati eljárás során a kerekek talppontjai szinuszos pályát írhatnak le. A kerék haladási irányát minden pontban a pálya érintője adja meg, amely α szöget zár be a kerék síkjával. Ez azt jelenti, hogy a csúszásmentes gördülés érdekében a kerék síkjának ebbe a változó irányába kellene fordulnia, ha viszont ezt a felfüggesztés rendszere nem teszi lehetővé, akkor a kerék ilyen szögben ferdén fut. Ez az úgynevezett kikényszerített ferde futás. Ha a kerék teljesen merev, akkor a ferde futás a kerék megcsúszásával jár. Ha a kerék oldalirányban rugalmas, akkor képes ezt a kikényszerített ferdefutást oldalcsúszás nélkül teljesíteni. Ennek az a feltétele, hogy az adott keréknek az adott jellemzők mellett meghatározható saját ferdefutási szöge (vagyis az a szög, amelynél a kerék oldalcsúszás nélkül képes a saját síkjával ferdén futni), melyet δ-val jellemezhetünk, nagyobb legyen a nyomtávváltozásra kikényszerített ferdefutási szögnél. Ilyen esetben a futóművet nyomtávváltozása korrigáltnak nevezzük. Ha viszont a kikényszeríttet ferdefutási szög nagyobb a kerék saját ferdefutási szögénél a kerék oldalra megcsúszhat. Számos vizsgálat azt mutatja, hogy személygépkocsiknál, ha a nyomtávváltozás a kerék ± 40 mm-s ki berugózási tartományában kisebb 25 mm-nél, akkor a gumiabroncs rugalmassága következtében nincs oldalcsúszás. 11

12 3. ábra Nyomvonal változás Elkormányzási tengely, és kormánylegördülési sugár A az elkormányzási tengelyt az alsó, valamint a felső gömbcsuklók definiálják a lengőkarok külső rögzítési pontjainál. Elölnézetben a szöget csapterpesztések hívjuk, a gumiérintkezés középpontjától való távolságot pedig kormánylegördülési, vagy elkormányzási sugárnak nevezzük. A tengely talajra vetített metszéspontja, valamint a kerék levetített tengelye közti távolságot hívjuk utánfutásnak. Miután a kerék rugózása és a rudakra ható oldalerők következtében a pillanati centrumok állandóan változnak, így az elkormányzás tengelye is állandóan változik, vagyis ez a tengely virtuális és nem állandó. Ennek számos hatása van a futómű viselkedésére: Ha az utánfutás mértéke túl nagy, akkor a kerekek elfordulásánál az autó megemelkedik, ami a kormánykerék kormánypontjának a megemelkedését eredményezi. Minél nagyobb az ellenkormányzás tengely által bezárt szög, annál bizonytalanabb az első kerekek elfordulása. Ha a gyorsulásból vagy fékezésből adódó erők különbözőek a jobb és bal oldalon, akkor ez a nyomaték az elkormányzási sugáron keresztül jelenik meg a kormánykeréken. Az elkormányzási tengely továbbá hatással van a kerékdőlésre. Kormányzás közben, ha az elkormányzási tengely dőlése pozitív, akkor ez pozitív kerékdőlést fog eredményezni. 12

13 4. ábra Elkormányzás Billenési pillanatnyi centrum, és bólintási centrum A kocsitestre ható oldalerő (ez lehet kanyarodás közbeni centrifugális erő, oldalszél, oldallejtő) következtében a kocsitest megbillen ψ szöggel a pillanatnyi középpont (pillanatnyi centrum) körül. A billenés következtében a kocsitest tömegközéppontja oldalra, b távolságra eltolódik. Ennek hatására megváltozik mindkét kerék függőleges terhelése, bekövetkezik a már bemutatott első és második átterhelődés: Z k = Z stk + F hy h k B + F fy R B + G k b B (4) Z b = Z stb F hy h k B F fy R B G k b B (5) 13

14 5. ábra - Billenés Az egyenletek azt mutatják, hogy amennyivel csökken az ívbelső kerék függőleges terhelése ugyanannyival növekszik a külső kerék terhelése. A kerék függőleges terhelése és az általa felvehető oldalerő közt viszont nem lineáris, hanem degresszív az összefüggés. Például, ha a külső kerék függőleges terhelése kétszeresére nő, akkor az általa felvehető oldalerő nem kétszeresére, hanem másfélszeresére növekszik. Vagyis az átterhelődés következtében oldalerő vesztesség lép fel, ami a jármű kanyarodás stabilitását csökkenti. Tehát a felépítmény oldalbillenése kedvezőtlen jelenség, amit mérsékelni kell. Az oldaldőlés csökkenthető Rugók merevségének növelésével. A kocsitest tömegközéppontjának csökkentésével A pillanatnyi centrum emelésével 14

15 A billenési pillanatnyi centrum magassága függ a futómű típusától és a felfüggesztés geometriai kialakításától. A pillanatnyi centrum meghatározható szerkesztéssel és számítással. A szerkesztés lényege, hogy először meghatározzuk a kerék talppontjának mozgásirányát a felépítmény billenése közben, majd a mozgásirányra merőleges egyenest húzva az kimetszi a futómű függőleges szimmetriatengelyén a pillanatnyi centrumot. A gördülési középpont adja meg a rugózott, és a rugózatlan tömeg közötti erő kapcsolódási pontját. Ezt a gördülési centrumot tudjuk korlátozni a rugók beállításaival. Ha a gördülési középpont az útfelület fölött található, az oldalirányú erő, ami a gumin jelentkezik, létrehoz egy olyan nyomatékot amikor a kerekeket lenyomja és felemeli a rugózott tömeget. Ezt hívjuk Jacking hatásnak. Ha a gördülési középpont a talajszint alatt van, akkor az erő lefelé nyomja a rugókat. Ha a gördülési középpont áthalad a talajszinten, miközben a jármű gördül, ekkor megváltozik a rugózott tömeg mozgásának az iránya. 6. ábra Gördülési centrum 15

16 Irányítórúd Az irányítórúd helye szintén nagy jelentőséggel bír. A helyzetének olyannak kell lennie, hogy Bump kormányzási effektet minimális szinten tartsa. Ez alatt az effektus alatt értjük a kerékösszetartás változását a kerék útjának a függvényében. Ha ezt túl nagyra választjuk, akkor a jármű mozgása nagyban megváltozik amikor az első kerekek áthaladnak valami akadály fölött. Ez annál veszélyesebb, minél egyenetlenebb pályán halad az autó. A legegyszerűbb módja a hatás elkerülésének, hogy az irányítórudat az alsó vagy felső lengőkarok síkjában helyezzük el. Fontos figyelni rá, hogy két esetben, ha a bekötési pont a kerék középpontja előtt s alatt, vagy mögött s fölött helyezkedik el, a jármű irányítási állapotát az alulkormányzottság felé visszük el. 7. ábra Irányító rúd 16

17 Átterhelődések Az átterhelődések a futóműnél a hosszirányú függőleges kapcsolatot írják le a rugózott és a rugózatlan tömegek közt. Ez nagyban függ a lengőkar oldalnézeti szögétől. Az átterhelődési tényezők nem jelentkeznek statikus állapotnak tekinthető folyamatnál, csakis a jármű gyorsításánál, vagy lassításánál. A hosszirányú átterhelődés is káros hatású, a tapadási erő csökkenéséhez vezet, aminek következtében romlik a jármű menetstabilitása. Az átterhelődés a bólintási centrum emelésével csökkenthető. A bólintási centrum magassága a futóművek típusától, a felfüggesztés geometriájától függ. A viszonylag egyszerű számítások a jármű dinamikus mozgása során jelentősen bonyolultabbá válnak. A kerekeket az útfelülethez szorító erő folyamatosan változik az autó test mozgásai miatt, valamint az ezzel járó átterhelődéseknek köszönhetően. Az átterhelődések következtében a kerekeket terhelő erők a nulla és akár az ötszörös értékek közt változhatnak. A változó terhelések meghatározásához szükségünk van több alapvető adatra. F zi Az egy kerékre ható tényleges, dinamikus leszorító erő F sti Egy kerék sztatikus terhelése a jármű állóhelyzetében Z R A kerék és a felépítmény rugózásaiból adódó terhelésváltozás Z W A menet és olalszél hatására fellépő terhelésváltozás A járműre ható oldalerő hatására bekövetkező kerékterhelés változás: Z 1 = F y h B (6) A felépítmény oldalbillenése következtében fellépő tömegközépponteltolódás hatására fellépő kerékterhelés-változás: Z 2 = G k b B (7) 17

18 A fékezéskor vagy gyorsuláskor fellépő hosszirányú tehetetlenségi erő hatására bekövetkező kerékterhelés változás: Z 3 = F T h L (8) A felépítmény bólintó mozgása következtében fellépő tömegközéppont eltolódás hatására jelentkező kerékterhelés változás: Z 4 = G k a L (9) 8. ábra - Átterhelődés Ackermann kormányzás Kis sebességű kanyarodások esetén a külső erőket elhanyagolhatjuk, s ilyenkor az R sugarú kör követéséhez szükséges kormányzási szöget nevezzük Ackermann kormányzási szögnek. δ a = l R (10) 18

19 Ha az első tengelyen levő mindkét kerék tangenciálisan érintkezik az ugyan abból a középpontból számított koncentrikus körökkel, melyek áthaladnak a hátsó tengely vonalán, ekkor mondjuk, hogy a járműnek Ackermann kormányzása van. Ez azt eredményezi, hogy a külső keréknek kisebb a kormányszöge, mint a belsőnek. Ha a kerekek párhuzamosak egymással azt párhuzamos kormányzásnak hívjuk, valamint, ha ez a szög nő, akkor Reverse Ackermann kormányzásnak nevezzük. Versenyautóknál gyakori a Reverse Ackermann. Mivel a versenyautókat gyakran teszik ki nagy oldalirányú gyorsulásoknak, így minden gumiabroncs nagyobb csúszási szögben működik optimálisan. 9. ábra Ackermann kormányzás 19

20 Kerékdőlés A kerékdőlés a korszerű gépjárműveknél a legfontosabb, egyben sok vitát kiváltó paraméter. A nagyobb teljesítményű személygépkocsiknál és valamennyi versenyautónál negatív értékek jellemzők. Más a követelmény a kerékdőléssel szemben kanyarodáskor és egyenes haladáskor. Kanyarodás közben az ívkülső keréknek a keresztirányú álterhelődés következtében megnő a függőleges terhelése, vagyis dominánssá válik. A negatív dőlésszögű ívkülső kerék így a nagyobb leszorítóerő és a negatív dőlésszög miatt nagyobb oldalerőt képes felvenni. A belső oldali kerék is negatív szögű a kocsitesthez viszonyítva, de a kerék teteje kifelé dől a kanyarodás középpontjához viszonyítva, így az oldalerő felvétel szempontjából pozitívszögűnek minősül, ami kedvezőtlen a jármű kanyarstabilitására. A korszerű, intelligensnek nevezhető futóműveknél ezért elsődleges szabályozási cél a belső kerekek dőlésszögének változtatása a kocsitesthez viszonyítva pozitív irányba, vagyis a kerék tetejét a kanyar középpontja felé dönteni. A meghatározott célfüggvény szerinti kerékdőlés szabályozását a kocsitest billenésére és az oldalerő növekedésére reagáló felfüggesztési rendszerrel lehet megvalósítani. A kerékdőlés mértéke befolyásolja a gumiabroncsok azon képességeit, hogy miként jelennek meg rajtuk az oldalirányú erők. Egy megdöntött kerék a megdöntés irányában oldalirányú erőt eredményez. Ezt Camber tolóerőnek nevezzük. A kerékdőlés által okozott gumiabroncs-torzulás hatással van az átvitt nyomatékra. Ez a hatás meglehetősen kicsi, mely a dőlésszög növekedésével tovább csökken. Mivel ezek csak a gumiabroncshoz tartozó tartomány lineáris szakaszában igazak, ezért maximálisan 5-10% kúszási szög különbség érhető el kerékdőlés segítségével. Ezek a torzulási hatások sokkal erősebben megjelennek egy diagonális szerkezetű gumiabroncsnál, mint egy radiális felépítésűnél. 20

21 10. ábra - Kerékdőlés 21

22 Kerékösszetartás A korszerű személygépkocsiknál a kerékösszetartás értékei nagy szórást mutatnak. Az első futóműnél általánosan 0-0,5, a hátsó futóműnél 0,5-1 a leggyakoribb érték. Az alapösszetartás ugyanis számos tényezőtől függ, így többek között a kerékdőléstől, a kerékdőlés elkormányzás közbeni változásától, a nyomtáv változásától, a hajtásrendszertől, az összetartás menetközbeni változtatásától, az úgynevezett csapgeometriáról. Az első futóműnél az összetartás növelése a jármű sajátkormányzási tulajdonságát az oldalgyorsulástól függően a túlkormányzás felé változtatja, amíg a hátsó keréknél az alulkormányzás felé. Az első kerekek összetartásának hatását az ábra mutatja. Figyelembe véve a kerékterhelés kanyarodás közbeni változását, vagyis azt a szabályt, hogy kanyarodáskor a külső kerekekre hat nagyobb terhelés, jól látható, hogy a kanyarodás középpontja befelé tolódik, vagyis a kanyarodási sugár csökken. 11. ábra Kerékösszetartás γ = B 2 B 1 (11) α γ B 2 B 1 2D (12) α γ = γ 180 2D π (13) 22

23 A kerékösszetartás dinamikai hatásai a jármű egyenes haladásakor elsősorban a kerekek R0 elkormányzási sugarától és a hajtásrendszertől függően változnak. Hátsókerék hajtású jármű +R0 érték mellett. A kerekekre kifelé irányuló kormányzási nyomaték hat, ezért célszerű a kerekeket nagyobb összetartás felé beállítani Elsőkerék hajtású jármű +R0 értékkel. A kerekekre befelé irányuló kormányzási nyomaték hat, így a kerekeket széttartás fele kell beállítani. Elsőkerék hajtású jármű -R0 értékkel. A kerekekre kifelé irányuló kormányzási nyomaték hat, a kerekeket összetartás felé kell beállítani. 23

24 8. Futómű tervezése A futómű vizsgálatához az IPG Automotive által forgalmazott CarMaker, valamint IPGKinematics szoftvereket használom, mely segítségével pontos parametrizálás valósítható meg. Szoftver nélkül a futómű pontos beállítására egy külön állítható tesztlengőkar-szett lenne szükséges, amivel a tesztek során be tudjuk állítani az optimális geometriai paramétereket, majd ennek mintájára legyártani a fix lengőkarokat. Ez nemcsak hogy jelentősen növeli a költségeket, de időigényes, valamint már egy előre meghatározott tengelycsonk-geometriát kíván meg, melyet később nehezebb módosítani. A szoftveres elemzés előnye, hogy ha a futóművön kívül a jármű mozgását jelentősen befolyásoló tényezőket meghatározzuk, akkor a futómű geometriája minimális korlátokkal tervezhető, Futómű típus kiválasztása A verseny típusától, az útfelülettől, s a versenyautók fejlődésétől függően a futóműveknek különböző elvárásoknak kell megfelelni. Mindegyik variációnak van előnye és hátránya. Pár fontosabb típus összehasonlítását végeztem el. Első futómű típusok ( 4 ) Tekercsrugós merevhidas futóművek A merevhidas futóműveknél a két kerék egymáshoz viszonyítva nem végezhet semmiféle mozgást, vagyis a futómű szabadságfoka nulla. A két kereket merev tengelytest, vagy híd kapcsolja össze. A kerekek a felépítményhez a tengelytest felfüggesztésén keresztül kapcsolódnak. A kerékfelfüggesztés szabadságfokát a felépítményhez viszonyított mozgásokból vezethetjük le. A futóművek beépített tekercsrugók felfüggesztés elemként nem szolgálhatnak, miután csak a rugó tengelyének irányában képesek erőfelvételre. Ezek az elemek csak a jármű lengéseinek, rugózásának szabályozására alkalmasak. Tekercsrugós merevhidas futóműveket általában a kisebb személy- és teherautókba, terepjáró személygépjárművekbe szerelnek. Ezek leggyakoribb konstrukciós változatában két hosszirányú lengőkart és egy keresztrudat találunk. ( 4 ): Forrás: [8.] alapján 24

25 12. ábra Merevhidas futómű MacPherson típusú futóművek A MacPherson típusú futóművek fél évszázada a kis és közepes autókban egyik leggyakrabban alkalmazott futómű. A kerék tengelycsonkját alul gömbcsuklós hárompontos keresztirányú felfüggesztés, a tengelycsonk felső részét pedig a teleszkópos lengéscsillapító vezeti meg. A lengéscsillapító akkor képes vezetni, ha a csillapító hengere mereven kapcsolódik a tengelycsonkhoz (pl. két csavarral rögzítve vagy besajtolva) és a csillapító rúdját a támcsapágya rögzíti a felépítményhez. Paraméterei csak részben felelnek meg a korszerű követelményeknek. A kerékdölés változás az első futóműnél a nagyobb csaphátradőléssel és nyomtávváltoztatással valósítható meg, hátul csak nagyobb nyomtávváltoztatás árán. Nagyarányú elterjedésének az oka egyszerű szerkezete, kis helyigénye, mely elsősorban az elöl keresztben elhelyezett motorok esetén előnyös. A korszerű MacPherson futóművek excentrikus kialakításúak, ezeknél az alsó gömbcsukló nem a lengéscsillapító középvonalába esik, ezáltal az elkormányzási tengely terpesztése is lehet, ami az R0 elkormányzási sugár negatív értékét eredményezi. Ez javítja a jármű iránytartását. 25

26 13. ábra MachPerson futómű Keresztlengőkaros futóművek A keresztlengőkaros futóműveknél a tengelycsonkon három csukló található. Az alsó és felső csuklóhoz kapcsolódnak a hárompontos keresztirányú felfüggesztő elemek, míg a középső csuklóhoz első futóműnél a nyomtávrúd, hátsó futóműveknél az önkormányzást szabályozó rúd vagy az összkerékkormányzású rendszer esetén a hátsó nyomtávrúd. A korszerű típusoknál a tengelycsonk felső nyúlványa egészen a gumiabroncs fölé emelkedik. A leggyakrabban alkalmazott futómű típus. A kis és közepes kategóriájú autóknál a MacPherson típusú futómű versenytársa, a nagyobb kategóriájú gépkocsiknál, versenyautóknál, autóbuszoknál egyre szélesebb körben alkalmazzák. A felfüggesztés geometriai méreteinek helyes megválasztásával szinte valamennyi dinamikus paraméter kedvezően alakítható. A háromszög-trapéz keresztlengőkaros futóművek újabb speciális változata az úgynevezett kéttagú, kéttengelyű tengelycsonkos háromszög-trapéz keresztlengőkaros futómű. A tengelycsonk két részre tagolódik: a kerekeket a csapágyazással felfogó külső csonkrészre és a lengőkarok kiindul befogási csuklópontjait magukba foglaló csonkállványra. A két tagot egyszabadságfokú csuklómechanizmus kapcsolja össze, amely lehet függőcsapszeg, vagy két gömbcsukló. Az összekötő elem geometriai tengelye adja az első futóműnél az elkormányzás tengelyét. A csonkállványon lévő csuklók viszont a kerék kiberugózásának tengelyét határozzák meg. Ennek a kéttengelyű megoldásnak az 26

27 előnye a kormányzási csapgeometriában mutatkozik meg, továbbá a lengőkarok variálható elhelyezésében. Ilyen szerkezeteknél az elkormányzás tengelyének geometriáját, vagyis a csapgeometriát optimálisan lehet kialakítani. A csapterpesztés (δ) és az elkormányzási sugár (R0) kedvező értékűre változtatható. A rugózás tengelyének kifelé döntésével a keresztlengőkarok kevésbé nyúlnak be a motor- illetve utastérbe. Ez a speciális konstrukció először a független felfüggesztésű légrugós autóbuszoknál jelent meg. Itt a tengelycsonk két végét a függőcsapszeg köti össze, a kormányrendszer trapézkarja a külső csonkrészhez kapcsolódik. Így a kormánymechanizmus csak a külső tagot fordítja el a függőcsapszeg körül. A belső csonkállványon elegendő egyszabadságfokú csuklókat alkalmazni, miután ez a tag csak z irányú mozgást végez. 14. ábra Keresztlengőkaros futómű 27

28 Hátsó felfüggesztés típusok ( 5 ) Tekercsrugós, és laprugós merevhidas futóművek A tekercsrugós kivitelben a különbség az első és a hátsó közt, hogy a hátsó futóműnél nincs kormányzórúd, azonban itt már beépítésre kerül egy differenciálmű 15. ábra Tekercsrugós futómű Laprugós merevhidas futóműveknél a keményebb, több lapból álló rugókötegek a felfüggesztő elemek funkcióját is betöltik. A két hosszanti beépítésű laprugó lehetővé teszi a merevtengely z irányú mozgását és az x tengely körüli elfordulását, de a többi 4 mozgási lehetőséget megakadályozza. Két- vagy háromtengelyes merevhidas futóműveknél szerkezetileg gondoskodni kell a tengelyterhelés szétosztásáról, vagyis az egyes tengelyek terhelésének kiegyenlítéséről. Laprugós futóműveknél erre a célra különböző himbák, terhelő rudak szolgálnak. A laprugós merevhidas futóműveket elsősorban nagy teherbírású haszonjárműveknél alkalmazzák. ( 5 ): Forrás: [8.] alapján 28

29 16. ábra Laprugós futómű Duplakeresztlengőkaros felfüggesztés Az alapvető különbség az elöl, és hátul alkalmazott típusoknál az, hogy a hátsó kerekek az elsőkkel ellentétben hajtottak, viszont nem kormányzottak. Emiatt a hátsó futóműnél a csonkállványhoz csatlakozik egy féltengely, valamint a kormányzó rúd helyett támasztórudat alkalmaznak. 17. ábra Keresztlengőkaros futómű 29

30 Válaszott futóműtípus Egy személyautóhoz képest a jelenleg építendő autónak teljesen különböző igényeknek kell megfelelnie, így a futóműtípus választása is más szempontokat igényel. Míg személyautóknál fontos tényező a lengéskényelem, esetünkben fontosabbak a rugózatlan tömeg csökkentése, a teljesítmény, valamint a hangolhatóság. Ezen meggondolások alapján a legjobban alkalmas futómű típus a dupla keresztlengőkaros konstrukció, melynek a geometriája széles tartományban tervezhető. A csapattal folytatott megbeszélés során felmerült a Macpherson típusú futómű alkalmazása is, viszont az aerodinamikáért felelős részleg elemzéseinek alapján maradtam az alapötletnél. A Jelenlegi futómű vizsgálata Szimuláció előkészítése A szimulációra használt CarMaker szoftver meghatározott modellekre épül (jármű, felfüggesztés, gumik stb.), melyeknek a tulajdonságai változtathatók. Ez azt jelenti, hogy a szükséges paraméterek előre meg vannak határozva, így a felhasználónak csak a paraméterértékek megadásával kell foglalkoznia. A paraméterezés magában foglalja a jármű kiválasztását, a környezet kiválasztását vagy megtervezését, a pilóta típusának, valamint a folyamat manővereinek a meghatározását. A szükséges paraméterek meghatározása után a program létrehoz egy virtuális járműkörnyezetet a szimulációhoz. A beállítások alapján, a szimuláció folyamatán létrehozott adatokat egy fájlban tárolja a szoftver. Ezt a fájlt, amit akár szerkeszthetünk, későbbi szimuláció parametrizálásra, nevezzük TestRun definíciónak. Összefoglalva a TestRun olyan tesztszcenáriót jelent, amelyben a virtuális környezet összes paramétere megfelelően meghatározott. A szimuláció futtatásához szükséges minimális parametrizálandó követelmények: 30

31 Jármű és a gumiabroncs A használt járműadatkészlet meghatározása Út A tesztpálya paraméterezése Manőver Főként a pilóta feladatainak meghatározása Pilóta A jármű vezetőjének a viselkedése Elengedhetetlen a paraméterezés nagyfokú pontossága a valós eredmények pontos megközelítésének érdekében, ezért ezt nagyfokú gondossággal kell elvégezni. A szimulációt követően az eredményeket hitelesíteni kell, mely a valós tesztelések mérési eredményeivel összevetve, iteratív folyamatokkal végezhető el A dinamikus versenyszámokban előforduló pályák szimulálása A pályákat a versenyszabályzatban előírt paraméterek szerint hoztam létre. Környezeti paraméterek Mivel a versenyszezon nyárra tehető, így a környezetnek egy átlagos nyári napot vettem fel. 1. táblázat Környezeti paraméterek Hőmérséklet 25 [ C ] Légsűrűség [ kg/m 3 ] Légnyomás [ bar] Páratartalom 60 [ % ] A pilóta viselkedése Sugárzás 400 [ W/m 2 ] A verseny stílusából adódóan, egy agresszívabb vezetési stílus, gyorsabb reakciók várhatóak el, mint egy átlagos pilóta definiálásakor. Az eddigi versenyeken rögzített videós dokumentációk segítségével felvettem a mi pilótánk paramétereit megközelítő adatokat. 31

32 Az ábra által mutatott paramétereket alkalmazom az összes versenyszám elemzésekor, egyedül az Ív levágási tényezőt változtatom a pálya függvényében. 18. ábra Pilóta viselkedés Manőverezési paraméterek Egy manőver leírhatja a járművezetői tevékenységeket a tesztfolyamat során. A manőverezési paramétereket nem kezeltem egyedi adatokként, így a pilóta viselkedésének adataiból automatikusan generált beállításokat használom. 32

33 Kinematikai és geometriai adatok ( 6 ) Fő adatok Az információk jelentős részét a csapat többi tagja által meghatározott, kidolgozott dokumentumokból kaptam. A jármű tömegközéppontjának a kiszámítása nagyon összetett kihívás tud lenni. A CAD és CAE eszközök segítségével is csak akkor lehetséges pontosan meghatározni, ha minden egyes alkatrész modell minden fizikai tulajdonsággal helyesen el van látva. Jelen esetben könnyebb megoldásnak bizonyult az autó mérlegelése, amely során mind a négy kerékre eső tömeget egyidejűleg mérjük. Az autó alap helyzetében ezzel a mérlegelési módszerrel a tömegközéppontnak csak az X és az Y koordinátája határozható meg a következő módon: 19. ábra - Tömegközéppont l f = m V,r m V,t l (14) l f = m V,f m V,t l (15) ( 6 ): Forrás: [7.] alapján 33

34 A tömegközéppont magasságának, Z koordinátájának meghatározásához egy második beállításra van szükség. Ebben a beállításban az egyik tengelyt h magasságig emeljük. A járművet a lehető legmagasabbra kell emelni, így pontosítva a számítást. Ezeken kívül fontos figyelembe venni a következő szempontokat: Az autó gördülését olyan módon kell megakadályozni, hogy az ne befolyásolja a mérés eredményét. A kerekeket a dőléstől függetlenül pontosan a mérleg közepén kell elhelyezni, ellenkező esetben eltérő erőpontokat kapunk. A rugók kihajlását gátolni kell a mérés pontosságának érdekében A gumiabroncs deformáció megakadályozás érdekében célszerű magas guminyomást alkalmazni 34

35 A számítás a következő módon történik: 20. ábra Tömegközéppont magasság sin α = h l (16) h V = h V + r dyn (17) h V = l r tan α (18) h V = l m V,t m h l2 h 2 + r dyn (19) Ezzel a módszerrel kiszámolható a pilóta autóhoz viszonyított tömegközéppontja is, mely a dinamikus elemzéseknél fontos szerepet játszik. 35

36 A stabilizátor paraméterezéséhez szükséges kiszámolni a teljes merevséget [c s ]. U torziós rúd esetében a linearizált torziós rúd merevségét [c Ba ] valamint a linearizált karok merevségét [c BI ] értjük ez alatt. Ez lineáris merevség átszámítható gördülési merevségbe az első és a hátsó tengelyen [c Ro,s ]. Újraszámolva a tengely mozgási arányával valamit pályájával, megkapjuk a számunkra szükséges adatot, a stabilizátor torziós merevségét [c s,θ ]. 21. ábra Torziós rúd A vonal linearizált torziós merevségnek [c Ba ] a kiszámításához szükségünk lesz a következő értékekre: [I p,ba ] merevség; [d Ba,o ] külső átmérő; [d Ba,i ] belső átmérő. I p,ba = π (d 4 Ba,o 32 4 d Ba,i ) (20) A stabilizátor nyírási tényezőjével [G], a torziós merevséggel [I p,ba ],valamint a rúd hosszával [I Ba ], megkapjuk [c Ba ]-t. c Ba = G I p,ba a 2 l Ba (21) A karok hajlítómerevségének kiszámításához szükségünk van a keresztmetszetek hajlítómerevségére. Mivel hangolható késeket használunk, így 36

37 a keresztmetszet változhat, ami az erőkre is hatással van. A közelítéshez kiszámoljuk a két végállapotot, amivel később bármelyik hajlítási szögnél [α BI ] meghatározhatjuk a nekünk szükséges értéket. I Bl,0 = b 3 Bl h Bl 12 (22) l Bl,90 = b 3 Bl hbl 12 (23) l Bl = l Bl,0 α Bl l Bl, α Bl l Bl,90 90 (24) A karok hajlítómerevségének kiszámításához a kar anyagának rugalmassági modolusára van szükség, valamint a kar hosszára. c Bl = 3 E I Bl 3 (25) 2 l Bl Hozzáadva a linearizált torziós merevséget, megkapjuk a valós stabilizátor teljes merevségét [c s ]. c s = c Ba c Bl c Ba +c Bl (26) A teljes merevségre való átszámoláshoz szükségünk van a kerék, és a karok mozgási arányára [ s s f ]. c R0,s = c s ( s s f ) 2 b 2 π 180 (27) 37

38 Kiszámíthatjuk az U stabilizátor lineáris merevségét [c s,x ]. Ez az érték a stabilizátor paraméterezéséhez kell a szoftverben. A szoftver által bekért érték az ebből kapott torziós rugó arány [c s,θ ], az [a = 200] értékkel számítva. c s,x = c Ro,s b 2 π (28) c s,θ = c s,x a 2 π 180 (29) A rugó paraméterezésére két lehetőség van: a lineáris, valamint a nem lineáris érték megadása. A lineáris megadáshoz, a számunkra egyetlen szükséges érték a rugó aránya, melyet a gyártó megad számunkra. Az arányhoz a mérés során alkalmazott erő hányadosát [ F], valamint az elmozdulás mértékét [ s] kell megadni. c = F = m g s s (30) Megnevezés Első Tengely Hátsó tengely 2. táblázat Fő adatok Tengelyre eső fékerő [%] Meghajtás mértéke [%] Gumiabroncs függőleges merevsége [N/mm] Jármű tömegközéppont magassága [mm] Tengelytáv [mm] Kerékösszetartás mértéke [ ] Kerékdőlés mértéke 1,3 0,4 [ ] 38

39 Rugózási adatok A rugózási adatokat a beszállító cégek által adott dokumentumokból lehetett kiolvasni, különösebb számításokat nem igényelt. Megnevezés Első tengely Hátsó tengely 3. táblázat Rugózási adatok Stabilizátor rúd kapcsolata Nyomórúddal Nyomórúddal [ - ] Nyomó-/Húzórú rögzítése Alsó lengőkaron Alsó lengőkaron [ - ] Rugókarakterisztika [lin] [N/mm] Stabilizátor karakterisztika [lin] [Nm/fok] Nyomó-/Húzórúd karakterisztika [lin] [N/mm] Geometriai adatok A geometriai adatok alatt a futómű jellegzetes pontjainak koordinátáit értjük. A Formula Student versenysorozat szabályzatában előírt koordináta rendszer, az úgynevezett Automobile Industrie által meghatározott rendszer. Az IPGKinematics támogatja az előírt koordinátarendszert, viszont a későbbiekben ezekre az adatokra kell hivatkoznunk a dinamikus vizsgálatok során, melyet az IPG CarMaker nevezetű programmal végzünk, ami kizárólag a DIN által leírt koordinátarendszerben megadott paramétereket támogatja. Az alábbi meggondolások miatt, a későbbi munkát megkönnyítve a koordinátákat a DIN által meghatározott rendszerben definiáltam. DIN Az X tengely origója 500mm-el a hátsó tengely mögött helyezkedik el Az Y tengely origója a jármű középvonalában helyezkedik el A Z tengely origója a talajszinten helyezkedik el. 39

40 22. ábra - Automobile Industrie CS 23. ábra DIN

41 4. táblázat Elemzett geometriai pontok DIN Első futómű Hátsó futómű X Y Z x y z Kerék középpont Gumiabroncs érintkezési pont Erőátadási pont a gumiabroncsra Váz - Első bekötési pont Váz - Hátsó bekötési pont Tengelycsonk - Alsó lengőkar Tengelycsonk - Felső lengőkar Tengelycsonk - Irányítórúd Váz - Első, alsó lengőkar bekötés Váz - Hátsó, alsó lengőkar bekötés Váz - Első, felső lengőkar bekötés Váz - Hátsó, felső lengőkar bekötés Váz - Stabilizátor Stab. rúd - Stab. Kés Stabilizátor - Tengelycsonk Irányítórúd - Kormánymű Váz - Kormánymű Rugós tag - Váz Rugós tag - Felfüggesztés Lengéscsillapító - Váz Lengéscsillapító - Lengőkar Féltengely - Differenciálmű Féltengely - Kerék Váz - Himba Himba forgási tengely Nyomórúd - Felfüggesztés Nyomórúd - Himba Rugós tag - Váz

42 Rugós Tag - Himba Stabilizátor rúd - Váz Stabilizátor - Himba Stabilizátor rúd - Torziós rúd Stabilizátor rugó - Váz Stabilizátor rugó - Torziós rúd A táblázatban szereplő paraméterek által meghatározott pontok Y-Z ; X-Z ; X-Y koordinátarendszeren megjelenítve Első futóműgeometria: 24. ábra Első futómű Y-Z 42

43 25. ábra Első futómű X-Z 26. ábra Első futómű X-Y 43

44 Hátsó futóműgeometria: 27. ábra - Hátsó futómű Y-Z 28. ábra Hátsó futómű X-Z 44

45 29. ábra Hátsó futómű X-Y Dinamikai adatok Gumikarakterisztika ( 7 ) Az általunk használt két gumiabroncs típus a Continental C17 Slick valamint a Continental C17 Wet. A sima, valamint a nedves gumi ugyanarra a gumiabroncs szerkezetre épülnek, különbség a futófelület összetétele, valamint mintázata. Ennek köszönhetően a sima és a vizes gumik alapvető tulajdonságai azonosak, a fontos szempontok közötti eltérés a tömegben mérhető, mégpedig 0.05kg, melytől jelen esetben eltekintek. A Continental által felvett paraméterek a táblázatban található ajánlott keréktárcsát használva lettek felmérve. Az alapparaméterek 0.8 bar nyomásra vonatkoznak. (7): Forrás: [3.] alapján 45

46 Z coord. [mm] Continental C17 Skick Gumi méretek 205 / 470 R13 [ - ] Külső átmérő mm Teljes gumi szélesség 200 mm Gumi tömege 3.75 kg Ajánlott felni méret 7J x táblázat Gumikarakterisztika 250,00 225,00 200,00 175,00 150,00 125,00 100,00 75,00 50,00 25,00 0,00-100,00-75,00-50,00-25,00 0,00 25,00 50,00 75,00 100,00 Y coord. [mm] 30. ábra - Gumikarakterisztika 46

47 Erőátviteli beállítások 6. táblázat - Tengelyfordulatok Főtengely fordulat [ 1/min ] Váltótengely fordulat 4736,842 [ 1/min ] 7. táblázat - Lánckerekek z Lánckerék 1 15 [ - ] lánckerék 2 50 [ - ] Fokozat Z1 Z2 i Kihajtótengely fordulat [1/min] 8. táblázat - Kerékfordulat Kerékfordula t [1/min] Áttétel , , , , , , , , , , , , , , , , , , , táblázat - Sebességek Fokozatok Veszteség nélkül Szögsebesség [1/s] Sebesség [m/s] Sebesség [km/h] 1 54, , , , , , , , , , , , , , , ,155 36, ,

48 Aerodinamikai paraméterek 10. táblázat Aerodinamikai paraméterek τ cd cs cl crm cpm cym -180,0-0,40 0,00 0,1 0,00-0,01 0,00-135,0-0,20-1,40 0,7-0,16-0,021 0,06-90,0 0,00-1,70 0,9-0,20 0,00 0,00-45,0 0,30-1,20 0,6-0,16 0,025-0,10 0,0 0,20 0,00 0,1 0,00-0,03 0, ,30 1,20 0,6 0,16 0,025 0,10 90,0 0,00 1,70 0,9 0,20 0,00 0,00 135,0-0,20 1,40 0,7 0,16-0,021-0,06 180,0-0,40 0,00 0,1 0,00 0,01 0,00 Konklúzió Első tengelyen A 32. ábra értékei szemléltetik az első tengelyen levő kerékdőlés változását a rugózáskor megtett kerékút függvényében. Ez a tartomány számunkra megfelelő, s a gumiabroncs paraméterei által megszabott korlátoknak is eleget tesz, így ennek a változtatása nem elsődleges. A 31.ábrán levő értékek mutatják az első tengelyen levő kerékösszetartás változását a felfüggesztés mozgásakor megtett kerékút függvényében. A jármű fékezésekor a karosszéria előre billen, ezáltal a futómű berugózik. Ideális esetben a fékezést elősegítő állapot ilyenkor a széttartás. Ezzel ellentétben az ábráról azt olvashatjuk le, hogy ennek pont az ellenkezője történik a folyamat során. Mivel ez a karakterisztika számunkra nem megfelelő, így az új futóműgeometria tervezése során ennek megváltoztatása fontos tényező lesz. 48

49 31. ábra Első kerékösszetartás 32. ábra Első kerékdőlés 49

50 Hátsó tengelyen: A hátsó tengelyen levő kerékdőlés-változás a negatív irányba történő elmozdulás. A diagrammból ez kiolvasható, hogy számunkra megfelelő a kapott érték, így ez nagy változtatást nem igényel. A kerékösszetartás változása az első futóműhöz hasonló, viszont ebben az esetben számunkra ez a megfelelő viselkedés. A járműstabilitás érdekében a hátsó tengelyen a cél egy olyan karakterisztika kialakítása, mely segítségével berugózás közben összetartást érünk el, ezzel az alulkormányzottság állapota felé visszük az autót. Kanyarban a karosszéria dőlésekor a külső kerék berugózik, így befelé fordul, míg a belső kirugózott állapotban levő kerék kifelé fordul, ezáltal olyan önkormányzást érünk el, ami a kerekeket a kanyar évének befelé fogja fordítani, így elősegítve a kanyarodást. Ez a mechanizmus egy stabilabb mozgást eredményez, viszont ez versenyautóknál nem feltétlenül elvárás. 33. ábra Hátsó kerékösszetartás 50

51 34. ábra - Hátsó kerékdőlés 51

52 Az új futómű geometriájának tervezése Az új futómű tervezésénél a geometriai tervezést helyeztem előtérbe. Ez azért volt fontos, mert egy teljesen új konstrukciónál hiányoznak azok a járműdinamikai paraméterek (aerodinamikai adatok, erőforrást befolyásoló adatok, stb.), melyek lehetővé tennék a virtuális szimuláció elvégzését. Az új geometria megtervezésénél figyelembe kellett venni azt, hogy a paraméterei a későbbiekben úgy legyenek változtathatók, hogy megtartsa a kívánt kinematikai tulajdonságait. A futóműgeometriával be lehet állítani az alapvető, számunkra kedvező geometriai, kinematikai paramétereket, viszont mivel nem ismert sok, a futómű dinamikáját befolyásoló tényező, így nem határozható meg pontosan az új futómű minden tulajdonsága. Későbbi módosításoknál fontos odafigyelni, hogy a lengőkarok által meghatározott síkok, valamint szögek minél kevésbé változzanak, így a kinematikai tulajdonságok megközelítik az előzetes beállításokat. Mivel az elemzésből kiderült, hogy a hátsó futóműgeometria számunkra megfelelő, így az első futómű változtatásán van a hangsúly. A hátsó futóművet későbbi feladatként a geometria megtartásával az aktuális helyigényeknek megfelelően lehet megvalósítani. Felmerült az új futómű tervezésénél, hogy érdemes lenne-e 13 -os kerekekről 10 - ra váltani. Ez nagyban befolyásolná a geometriát, mivel jelentősebb kisebb tengelycsonk lenne szükséges a felfüggesztéshez. Ez tömegcsökkenéssel járna, viszont mivel ebben a méretben csak a Hoosier jelentősen ballonosabb karakterű gumiabroncsa elérhető a versenysorozatban, így az ötletet elvetettük. Ettől függetlenül, az előzetes geometria kialakításának tervezésekor egy kisebb, könnyebb tengelycsonkállvány alkalmazása a cél. 52

53 11. táblázat Új geometria DIN Első futómű X Y Z Kerék középpont Gumiabroncs érintkezési pont Erőátadási pont a gumiabroncsra Váz - Első bekötési pont Váz - Hátsó bekötési pont Tengelycsonk - Alsó lengőkar Tengelycsonk - Felső lengőkar Tengelycsonk - Irányítórúd Váz - Első, alsó lengőkar bekötés Váz - Hátsó, alsó lengőkar bekötés Váz - Első, felső lengőkar bekötés Váz - Hátsó, felső lengőkar bekötés Váz - Stabilizátor Stab. rúd - Stab. Kés Stabilizátor - Tengelycsonk Irányítórúd - Kormánymű Váz - Kormánymű Rugós tag - Váz Rugós tag - Felfüggesztés Lengéscsillapító - Váz Lengéscsillapító - Lengőkar Féltengely - Differenciálmű Féltengely - Kerék Váz - Himba Himba forgási tengely Nyomórúd - Felfüggesztés Nyomórúd - Himba Rugós tag - Váz

54 Rugós Tag - Himba Stabilizátor rúd - Váz Stabilizátor - Himba Stabilizátor rúd - Torziós rúd Stabilizátor rugó - Váz Stabilizátor rugó - Torziós rúd ábra Új geometria 54

55 Sikerült megtalálni azt a pár tényezőt, amelyek leginkább befolyásolták a rossz karakterisztikát, ezzel elérve azt, hogy a lehető legkevesebb geometriai változtatással egy olyan geometriát kapjunk, mely a későbbiekben számukra alkalmas lesz. Mivel alapvetően a széttartás mértékével, valamint irányával volt problémánk, így ezt a két tényezőt kellett úgy változtatni, hogy az eredetileg jól beállított utánfutás, kerékösszetartás, nyomvonalváltozás értékét a lehető legjobban megtartsuk. Az első lengőkarok által bezárt szög irányát, illetve mértékét változtattam, ezzel sikerült elérni, hogy a széttartás iránya számunkra megfelelő legyen. A széttartás változás mértékének csökkentésére a kormányzórúd bekötési pontjait toltam el. Ahogy előzetesen is írtam, ez a hatás jelentősen csökkenthető azzal, ha ezt a lengőkarok síkjában helyezzük el, így nem sokat módosítva az eredeti rendszeren, az alsó lengőkarok síkjában került elhelyezésre. 36. ábra - Új első kinematika 55

56 A futómű elemeinek konstrukciós tervezése Ahogy az egész autó tervezésekor, így a futómű tervezésekor is alapelv a minimális tömeg elérése. Mivel a futómű egy rugózatlan tömeg, így ennek csökkentése jelentősen javítja az úttartást emellett javítja az autó irányíthatóságát. A gyártás és összeszerelés szempontjából az bizonyult a legegyszerűbbnek, és a leggyorsabbnak, ha a lengőkaroknál rudakat, valamint inserteket, gusseteket alkalmazunk. A Formula Student versenysorozatban alapvetően a legtöbb csapat ezt a megoldást alkalmazza, így az évek során mi is ezzel a megoldással dolgoztunk. Az új lengőkarok paraméterei nagyon hasonlóak a 2017-es megoldáshoz, a jelentősebb különbség, hogy az alsó, első lengőkarokat összekötő gussetek geometriája nem bizonyult jónak, így ez mindenképp újratervezést igényel. Az insertek az egyik csapattársam számításai szerint a jelenlegi megoldás szerint túlméretezettek voltak, így tömegcsökkentés érdekében ezen változtatunk. Egészen pontosan, az insertekbe préselt 8-as GE-szemeket 6-osra cseréljük, így ezzel együtt az insertek geometriája is változik. Az elemek anyagait tekintve, előtérbe helyezve az elvárt alacsony tömegnek való megfelelést, a lengőkaroknál a korábbi évekhez hasonlóan szénszálas rudazatot használok, az insertek, és gussetek anyagánál pedig a 7075-ös alumíniumra esett a választás. A himbák kialakításánál lézervágott alumínium lemezalkatrészeket alkalmazok melyet a bekötési pontokhoz szükséges tengelyek merevítenek Ezzel a megoldással egyszerű egy szabad geometria kialakítása, valamint a lemezalkatrész miatt a tömege is kellően kicsi. Későbbi végeselemes szimulációk eredményétél függően ez változhat. A futómű méretezésénél nem elég a statikus terhelésekkel számolni, a járműalkatrészek igénybevétele az álló helyzetben mért statikus terhelések mellett menet közben dinamikus többletterhelésekkel növekszik meg. Az a növekedést a dinamikus tényezővel [d] fejezzük ki. 56

57 F össz = F st + F din (31) F össz = m g + m a (32) d = F ö = m g+m a = 1 + a F st m g g (33) 37. ábra Dinamikus tényező Lengéscsillapítók Beállításhoz szükséges paraméterek Rugómerevség számítása: s redsz = 4π 2 f 0 2 m 1 (34) f 0valós = 1 2π s redval m 1 (35) 57

58 Rugózási út felvétele z st = m 1 g s redval (36) Redukált csillapítási tényező számítása K red = D s redval m f1 0.5 (37) ahol a relatív csillapítási tényező D = 0.7 A csillapítás megoszlása ki- és berugózáskor K ber = 2 n+1 K red (38) K kir = n K ber (39) ahol a szórótényező n = 3 A kiszámított adatok alapján a többi körülménytől függően lehet beállítani a lengéscsillapító karakterisztikáját. Az új lengéscsillapító kiválasztásánál szintén a többi csapat tapasztalata segítségével jutottam döntésre. Jelenleg egy egyedileg gyártatott rendszert használunk, mely lecserélésével súlycsökkenést, valamint nagyobb állíthatósági tartományt tudok elérni. A szükséges rugóúton előzetes tervezések számításai 58

59 miatt nem szeretnék változtatni, ez marad a jelenlegi A választás során két gyártó került számításba, ez az Öhlins USA, valamint a ZF. Tapasztalati tényezők miatt az Öhlins egyik terméke Került kiválasztásra. Kiválasztott lengéscsillapító: Öhlins TTX25 MkII FSAE 38. ábra Öhlins gátló 59

60 Himba tervezése: Himbák mozgásának szerkesztése: 39. ábra Himba szerkesztés 12. táblázat Himba arányok Futómű Himba arány Teljes Kirugózás Berugózás Futómű út Lengécsillapító út Hátsó futómű Távolság Arány 1 Arány 2 Alsó lengőkar Tengelycsonk Alsó Lengőkar Nyomorúd Himba Nyomórúd Himba - Gátló Első futómű Távolság Arány 1 Arány 2 Alsó lengőkar Tengelycsonk Alsó lengőkar Nyomórúd Himba Nyomórúd Himba Gátló

61 Himba alaplemez modellje: 40. ábra Himba alaplemez Stabilizátorrendszer Az első stabilizátorrendszert teljesen áttervezzük. A jelenleg használatos U stabilizátor helyett egy kétkarú elforduló mechanizmust szeretnék alkalmazni, mely karjai a stabilizátor karok, ezzel szabályozva a futómű keménységét. Ezzel a megoldással tömegcsökkenést tudunk elérni. Ahhoz, hogy kiszerkesszem a geometriáját, a legfontosabb adat a himbát, és a karokat összekötő rúd két végpontja, melyhez tudnom kell a kar hosszát. Mivel a jelenlegi stabilizátor rendszerben már optimalizált karokat használunk, így a tervezés megkönnyítése miatt itt is ezeket alkalmazom. 61

62 41. ábra Kés méret Az befogó forgástengelyétől számított hossz a csatlakozási pontig: 87.25mm Ennek ismeretében a szerkesztés: 42. ábra Stabilizátor szerkesztés Mivel a GE-szemekkel 20 -ig tudunk átvinni terhelést, így bőven beleesünk ebbe a tartományba. Az ideális erőátvitel érdekében a merőleges csatlakozás lenne megfelelő, viszont jelen esetben ez csak a karok csatlakozásánál lenne megvalósítható. Ezzel szemben én inkább azt választottam, hogy mindkét csatlakozásnál azonos szögben érkezzen a terhelés, így jobb terheléseloszlást 62

63 eredményezve a rendszerben. Mivel ezek minimális elmozdulást vesznek fel, így nem áll fenn annak a veszélye, hogy kiesnénk az alkalmazható szögtartományból. Az egész rendszerre nézve: 43. ábra Stabilizátormechanizmus Az elve teljesen azonos a többi nyomórudas stabilizátor elvével. Az egyik kerék megemelkedésekor a forgásos mechanizmuson keresztül a másik kereket is emelkedésre kényszerítjük, ezáltal az autó a kanyarokban is párhuzamos marad az útfelülettel. Kések befogása: A kések befogásánál 3 fő szempont volt. A befogó eszköznek a forgási tengely körül el kell tudni fordulnia. Ezt egy csappal oldottam meg, mely a vázra való rögzítéskor egy teflonpersellyel siklócsapágykét tud funkcionálni. Mivel itt nincsenek nagy erőhatások, így nem szükséges komolyabb csapágyazás. A késeknek a tengelyei körül el kell tudni fordulnia, ezzel biztosítva a kés állíthatóságát, amivel a futómű keménységét tudjuk szabályozni. Ezt viszonylag gyorsan tudni kell állítani akár tesztelések közben is. Ezt a befogott csapon való lelapolásokkal sikerült megoldani, melyet egy hernyócsavarral rögzítünk le az 63

64 adott pozícióban. A harmadik szempont, a kések axiális elmozdulás elleni biztosítása. A kések rögzítését axiális irányba egy gyűrűvel valósítom meg, mely a házba, valamint a tengelybe munkált hornyokba illeszkedve gátolja az elmozdulást. 44. ábra - Késbefogás Insertek, gussetek: A kisebb GE-szemek alkalmazásához az inserteket, gusseteket is módosítani kell az adott mérethez. Modellek: Mindhárom modellnél látszódik a ragasztási felület csaprészénél az átmérőkülönbség. Ez azért fontos, mert a nagyobb átmérőn felfekszik a karbon rúd, majd a kisebb átmérő köré adagolt ragasztó kellő nagyságú felületet képez a kötés kialakításához. Biztonsági szempontok miatt a felütköző valamint az illesztett felületeken is használunk ragasztót a rögzítés során. 64

65 45. ábra - Insert 46. ábra Alsó gusset 47. ábra Felső gusset 65

66 Telemetria Szakdolgozatomban nem szeretnék kitérni a különböző mérőrendszerek tervezésére, viszont fontosnak találom megemlíteni azt, hogy az eddigi évekkel ellentétben ezek alkalmazása előtérbe kerül. Többek közt útmérő továbbá gumihőmérséklet mérő rendszerek kerülnek elhelyezésre a futóművön. A rendszerekből lekért adatokkal, a tesztek során, valamint verseny közben is következtetést tudunk levonni a futóműbeállítás pontosságáról, és a futómű működésének helyességéről Ragasztószerszám tervezése A gussetek és insertek karbonrudakba való pontos ragasztásához szükség volt egy szerszámra is. Ennek az alapja két lemez, mely pozícionálja, valamint megtámasztja a ragasztandó elemeket. A két lemez egy alsó 10 mm-es, valamint felső 2 mm-es lemez. Erre a kettőre azért van szükség, mert a felső lemezt lézervágással egy pozícionáló szerszámként tudjuk használni, viszont az egyedüli alkalmazásakor, a kemencében való égetéskor (ami a ragasztáshoz szükséges) fennállhat a deformáció veszélye, mely pontatlan ragasztást eredményez. Ehhez a merevítéshez alkalmaztam az alsó réteget, mely illesztett csavarokkal, majd hegesztéssel van rögzítve a pozícionáló lemezhez. Ehhez a kötéshez az alsó lemezen menetes furatok, illesztett furatok, találhatóak, valamint a felső lemezen hegesztési pontoknak helyet adó kivágások vannak, ezzel is elkerülve a melegedéskor keletkező deformációkat. A lemezen való illeszkedést pozícionáló csapokkal, valamint távtartókkal értem el. A szerszám előkészítése után a ragasztandó elemek előkészítése a következő. Az insertek és gussetek felületeit homokszórással érdesítettük, mely elősegíti a ragasztott kötést. A ragasztó kötési sebessége miatt ez egy több emberes folyamat, melyet pár perc alatt el kell végezni. A megfelelő helyzet megtalálását a lemezen levő egyértelműen megnevezett gravírozás segíti. Mivel az elhelyezés után már pozícionálva van így végül egy alátéttel leszorítva a kötés idejére csavarral rögzítjük le az elemeket. 66

67 48. ábra Ragasztó szerszám Futómű elemeinek szilárdságtani vizsgálata A maximális terhelés helyének meghatározásához az ANSYS valamint a Nastran szoftvereket használtam. Itt ugyanazon vizsgálatokat végeztem el, s a minimális eltérés miatt mindig a rosszabb eredményeket vettem alapul az eredmény meghatározása során. A szimuláció folyamatának felgyorsításához, valamint a könnyebb kiértékelés érdekében a szimulációhoz egyszerűsített modelleket alkalmaztam a főbb geometriák megtartásával. Lengőkarok vizsgálata Lengőkarok terhelésénél a karbonrudak és az insertek csatlakozásánál találjuk a maximális értéket. Ez a maximális érték is tizede a karbonrudak megengedhető értékeinek, így ezt is jónak tekinthetjük. 67

68 49. ábra Lengőkar elemzés Himbák vizsgálata Látható, hogy a himbák terhelése során nem a himba alaplemezében, hanem az összekötő csapon keletkezik a legnagyobb terhelés. Ez a tengely korábbi futóművel tervezésénél már vizsgálva volt, így a himba eredményei is elfogadhatók. 50. ábra Himba elemzés 68

69 9. A futómű látványterve 51. ábra Futómű látványterv 69