Kompozit elemek tervezése az Amber One elektromos sportautó számára

Átírás

1 Kompozit elemek tervezése az Amber One elektromos sportautó számára Makai Zoltán, Sápi Zsombor, Székely András, Székely Béla, Tarcsai Roland Az Amber One projekt célja egy elektromos sportautó prototípusának megtervezése és elkészítése. Számos különböző rendszer kifejlesztése mellett fontos feladat volt a szálerősített kompozitok minél nagyobb arányú használata, ami során a legnagyobb szakmai kihívást a karbon kompozit váz megtervezése és legyártása jelentette. 1. A PROJEKT BEMUTATÁSA A projekt célja egy karbon kompozit vázszerkezetű, kerékagymotorral szerelt prototípus e-roadster (1. ábra) megtervezése és a hozzá tartozó platform megépítése volt (elsősorban kutatási célból). A koncepció meghatározásánál fontos szerepet játszott a kis tömeg, a nagy teljesítmény, a megfelelő járműdinamika, valamint a biztonsági előírások legnagyobb mértékű betartása. A fejlesztés során (a specifikáció meghatározásától az autó teszteléséig) relatív nagy szabadságot kapott a csapat, ami magyarországi viszonylatban egyedülálló lehetőséget jelentett. 1. ábra. Amber One Mivel a jármű koncepciójának egyik fontos pillére az elérhető legkisebb tömeg volt, ezért a tervező csapat az alkatrészek elkészítéséhez legtöbb helyen igyekezett nagy fajlagos szilárdságú anyagokat felhasználni, ehhez elengedhetetlen volt a kompozitok használata. Ennek megfelelően az autó váza és számos másodlagos teherviselő elem (mint például lámpatest tartó konzolok, ajtó, padlólemez) szénszállal erősített epoxigyantából készültek, míg a burkolati elemek üvegszál-, szénszál- és aramidszál erősítésű kompozitból készülnének. Így a teljes jármű több mint 60 darab különálló kompozit alkatrész beépítésével áll össze. 2. FELHASZNÁLT ANYAGOK ÉS GYÁRTÁSTECHNOLÓGIÁK A fejlesztés során általánosan elmondható volt, hogy minden alkatrész tervezésének, geometriájának a megrajzolása előtt, már a komponensek koncepciós fázisaiban kiválasztottuk az azok elkészítéséhez szükséges erősítőanyag típust, struktúrát és mátrix anyagokat, illetve a gyártástechnológiát. Ennek eredményeként az alkatrészek kialakítását már az adott technológiák igénye szerint tudtuk elvégezni. Az anyagválasztás során számos szálerősítést és gyantarendszert megvizsgáltunk mechanikai tulajdonságaik alapján. A teherviselő alkatrészek esetén egyértelműen szénszálerősítés jöhetett csak számításba a nagy szilárdság és merevség elérése érdekében, míg burkoló elemeknél más erősítőanyagok alkalmazása is felmerült lehetőségként. Funkciójából, igénybevételéből és méretéből adódóan a jármű legfontosabb kompozit eleme az autó vázszerkezete, ebből adódóan a legnagyobb mértékű tömegcsökkentés ennél a részegységnél érhető el jobb minőségű kompozitok felhasználásával. Ennek megfelelően a vázszerkezet elkészítéséhez epoxi gyantával előre átimpregnált szénszálas anyagokat, azaz prepreg-et használtunk fel. Erősítőszálként mind nagy szilárdságú (T700), mind nagy rugalmassági moduluszú szálat alkalmaztunk (M46J). Megfelelő méretű autokláv hiányában, amibe az autó vázszerkezete befért volna, a gyártáshoz úgynevezett Out of Autoclave (OOA), azaz autoklávon kívül térhálósítható prepreget választottunk. Kedvező szilárdsági tulajdonságai mellett fontos érv volt az anyag mellett, hogy az elkészült héjelemek anyagvastagságai pontosabban becsülhetőek voltak a tervezés során, illetve méhsejt szerkezetű szendvicsanyag használatát is lehetővé tette. A másodlagos teherviselő elemek megvalósításához szintén minden esetben szénszál erősítésű kompozitot választottunk, viszont ezekben az esetekben a költségek alacsony szinten tartása okán már vákuuminjektálás technológiával készítettük el az alkatrészeket. A burkolati elemeknél az üvegszál erősítésű kompozitok és a biokompozitok alkalmazása merült még fel lehetséges 2. évfolyam 5. szám, május Polimerek 125

2 költséghatékony alternatívaként, (természetesen a jármű tömegének rovására). Fontos megemlíteni még a szén-aramid szálerősítésű hibrid kompozitokat, amelyek használata ütésállóságuk miatt nélkülözhetetlen bizonyos alkatrészek, mint például a kerékjárati ívek vagy a padlólemez esetén. Gyártástechnológiaként legtöbb esetben a vákuum infúziót választottuk, mind a másodlagos teherviselő elemeknél, mind a burkolati elemeknél, viszont néhány alkatrész esetében előfordult kézi laminálást követő vákuum zsákos technológia alkalmazása is. Nagy odafigyeléssel választottuk ki továbbá az adhéziós kötéshez szükséges ragasztót is. Az előzetes számítások után próbatesteken szilárdsági teszteket hajtottunk végre, amelynek eredményét látva magabiztossággal alkalmazhattuk a kiválasztott nagyszilárdságú epoxi alapú ragasztót az egyes vázelemek összeillesztésére. A jármű kompozit komponenseinek anyagválasztásáról részletesebben a később megjelenő Kompozit elemek gyártása az Amber One elektromos sportautó számára cikkben olvashat. 3. GEOMETRIA KIALAKÍTÁSA 3.1. VÁZ Mint már említésre került, az Amber One teljes vázszerkezete szénszál erősítésű kompozitból készült (2. ábra), melyet szerelhetőségi, gyárthatósági megfontolásból két elkülöníthető részegységre bontottunk az utastér mögött. A menetirány szerint előrébb található egység képzi az utascellát, más néven monocoque-t, amelyben kialakításra került többek között az utastér, az A-oszlop és csatlakozó felületek az első futóműnek, és a gyűrődő zónának. A váz másik részét a hátsó váz képzi, amely a hátsó futómű és gyűrődő zóna mellett, a hajtáslánc komponenseinek biztosít csatlakozási pontokat. A két kompozit vázat felső felületükön még egy acél csövekből álló bukókeret köti össze, növelve ezzel a váz biztonságát és merevségét egyaránt. 2. ábra. Az Amber One vázszerkezete A monocoque funkciójából kifolyólag a legbonyolultabb kompozit alkatrész az egész járműben. Az egység legfontosabb szerepe, hogy ergonomikus biztonsági cellát képezzen az utasok számára. Emellett sportautó lévén, magas torziós és hajlító merevségi értékekkel bírjon, mégis kis tömeggel rendelkezzen. Továbbá számos komponens számára megfelelő szilárdságú csatlakozó felület biztosítson, mint például a szélvédő, a futómű alkatrészek, a hajtáslánc komponensei, az elülső gyűrődő zóna. A felsorolt követelményeknek a vázegységet megfeleltetni csak különálló héjelemekből ragasztott szerkezet tervezésével lehetett. Ebből fakadóan a geometria tervezése során a legnagyobb kihívást az jelentette, hogy a geometriát sok helyen meghatározták, behatárolták az egységre felerősíteni kívánt komponensek, mégis elégséges méretű ragasztó felületet kellett kialakítani a héjelemek között, amelyek gyárthatósági szempontjait külön-külön is figyelembe kellett venni, mint szerszámozhatóság, falferdeségek. A monocoque így alapvetően öt külön legyártott szerkezeti és két további karosszéria elem később összeragasztott héjszerkezetéből épül fel. Az autó nyitott kialakításának következtében kiemelt szerepet kapott a küszöbök kialakítása. A magas torziós, illetve hajlító merevségi értékek elérése érdekében különálló héjelemek segítségével a váz két oldalán egyfajta zárt keresztmetszetet alakítottunk ki és a küszöb méretei is nagyobbak lettek a megszokottnál (3. ábra), akárcsak a kardán alagúté (mivel a hajtáslánc kerékagymotorokon alapul, így természetesen a kardán tengely nincs az alagútban), amelynek szintén fontos szerepe volt a magas hajlító merevségi értékek elérésben. 3. ábra. A monocoque hosszirányú keresztmetszete az utastér közepén, kiemelve a kompozit elemek A küszöbtől előre haladva, az ajtó zsanérjainak csatlakozása jelentett számottevő igénybevételt. Mivel ezen a részen az egyéb terhelések miatt szükséges volt a méhsejt alkalmazása, és a csavarkötés környékén nem volt megoldható a maganyag nélküli zóna, így tömör üvegszál erősítésű epoxi inzertet alkalmaztunk, amit a szendvicsanyaggal egy rétegbe ágyaztunk és ahhoz hasonlóan szintén előre impregnált, ún. adhéziós gyantafilm réteggel rögzítettük a héjakhoz a gyártás során. A monocoque elején található az első futómű, illetve az első ütköző zóna csatlakozása, ami a kompozit kialakításának szempontjából nagyon hasonló egymáshoz és az ajtó inzertjeihez is. Utóbbitól leginkább abban tér el, hogy itt a monocoque különböző elemeinek a csatlakozása és a futómű, illetve az első ütköző alkatrészek csatlakozása egy felületen történik. Ezáltal a két laminátum átlapolt ragasztott kötésén egy átmenő csavarkötés is keresztülmegy. Ez több szempontból is előnyös volt számunkra. Egyrészt a csavarkötés furatai már rajta 126 Polimerek 2. évfolyam 5. szám, május

3 4. ábra. Átmenőcsavaros dupla laminátumos bekötési pont metszete 6. ábra. Hátsó váz voltak a monocoque különböző elemein, amiknek a pontos pozícióját a lamináló szerszám biztosította. Így ezeket a furatokat felhasználhattuk a ragasztáskor, az elemek pozicionálására, ezzel részben kiváltva a ragasztó készüléket. Másrészt a ragasztott kötés nyíró szilárdságát is javítja a csavarok csapként funkcionáló nem menetes szára (4. ábra). Az ablakkeret felépítését a szükséges zárt profilú keresztmetszete határozta meg (5. ábra). Csak akkor tudtuk volna egy elemből kialakítani, ha például egy formára mart habra gyártunk, de ez relatív költséges megoldás, valamint esztétikailag sem elfogadható számunkra. Ezért úgy döntöttünk, hogy a zárt profilt egy plusz elem segítségével hozzuk létre. Sikerült olyan geometriát tervezni, ami alámetszés nélkül, a teljes ablakkeret mentén egy alkatrészként ragasztható fel. 7. ábra. Monocoque csatlakozási felületek miatt többé-kevésbé adott volt. Itt, és a többi csatlakozási pont esetében is tömör kompozit inzertek kerültek elhelyezésre. A hátsó váz jelentős hajlító- és torziós nyomatéknak van kitéve, amelyet a geometriai kialakításánál figyelembe kellett venni, így a kedvező szilárdsági és merevségi tulajdonságok érdekében L keresztmetszetű oldalfal lett képezve (8. ábra), a rögzítés pedig csavarokkal történt. 5. ábra. Az ablakkeret zárt profiljának összeragasztása A monocoque keresztirányú merevségének növelése érdekében a műszerfal panel alatt, az A-oszlop két oldalát összekötő sík felületet alakítottunk ki, melyhez a kormányrendszert is lehetett csatlakoztatni, illetve elektronikai komponenseket elhelyezni azon (6. ábra). A monocoque-hoz képest viszonylag egyszerűbb követelményrendszer lehetővé tette, hogy ragasztás nélkül, egy darabban készüljön el az alkatrész, csökkentve ezáltal a komponens és szerszámának tervezésére és gyártására fordított erőforrásokat, illetve elősegítve a szerelés folyamatát. A geometria kialakításának első lépése a monocoque-kal való csatlakozási pontok létrehozása volt (7. ábra). Ezek pozíciója a vezető elhelyezkedése, és egyéb technológiai korlátok 8. ábra. L szelvény A futómű csatlakozási pontjai szintén adottak voltak, azonban két, egymással párhuzamos síkban helyezkedtek el, 2. évfolyam 5. szám, május Polimerek 127

4 9. ábra. Futómű csatlakozási pontok síkjai 11. ábra. Elektronikai tartószerkezet csatlakozása így lépcsőzetes kialakításra volt szükség, ügyelve a minél több sík felület leképzésére, amely gyártástechnológiai szempontból volt fontos a méhsejt jelenléte miatt. Továbbá az alkatrésznek a haladás irányával megegyező irányban kellett szerszámból eltávolíthatónak lennie, így ezen részegység során is ügyeltünk a szükséges falferdeségek kialakítására. Szintén ennél a szakasznál került meghatározásra a váz hátsó felületének elhelyezkedése (9. ábra). A futómű részegysége, a himba csatlakozása további felületek leképezését igényelte, szintén figyelembe véve a gyártástechnológiai és szerszámbontási követelményeket (10. ábra) EGYÉB KOMPONENSEK Mint már fentebb említettük, a vázszerkezeten kívül számos egyéb alkatrész készült kompozitból, ezek az elemek alapvetően két csoportra bonthatók: teherviselő és burkolati elemekre. Az úgynevezett másodlagos teherviselő elemek közvetve vagy közvetlenül a vázhoz csatlakoznak, és az autó működéséhez szükséges kiegészítő rendszerek, mint például a hűtésrendszer, a lámpatestek, illetve a burkolatok rögzítésére szolgálnak (12. ábra). 12. ábra. Kompozit konzolok az autón 10. ábra. Himba elhelyezkedése A futómű és monocoque csatlakozásainak megtervezésével kiszerkeszthetővé váltak a további szükséges geometriai elemek, mint az alsó- és a felső felületek. A hátsó váz alsó felén található elektronikai tartószerkezet rögzítésekor előtérbe került a tömegcsökkentés lehetősége, illetve egy ötödik monocoque csatlakozási pont létrehozása (11. ábra). A hátsó váz kialakításának legnagyobb kihívása a számos csatlakozási pontnak, geometriai korlátoknak és a gyárthatóságnak való megfelelés biztosítása volt, természetesen a tömegcsökkentés szem előtt tartása mellett. Esetükben is arra törekedtünk, hogy minél kevesebb elemből álljanak, és a lehető legegyszerűbb kialakítással rendelkezzenek a lehető legnagyobb merevség mellett. Az egyszerű kialakítású alkatrészek könnyebben szerszámozhatók és gyárthatók, így költséghatékonyak is. Mivel ezek is szendvicsszerkezetből épülnek fel, így tervezéskor ügyelni kellett a maganyag könnyű szerszámba helyezhetőségéről, ennek köszönhetően sík vagy kis görbületű felületekből épülnek fel geometriailag, nagy rádiuszok találhatók az éleken. A csatlakozási pontoknál tömör laminátot alkalmaztunk, nem volt szükség inzertek használatára a viszonylag kicsi falvastagság miatt. Emellett igyekeztünk elkerülni az alámetszéseket is, így egyszerű, osztatlan szerszámokat tervezhettünk hozzájuk (13. ábra). 128 Polimerek 2. évfolyam 5. szám, május

5 13. ábra. Első lámpatest tartó konzolok A belső és külső burkolatok kialakításánál szintén számos tervezői kihívással szembesültünk. Az egyik legfőbb feladat az volt, hogy hogyan tudjuk a jármű mesterfelületét úgy felosztani, majd az egyes elemeket technologizálni, hogy gyárthatóság és szerelhetőség szempontjából is a legmegfelelőbb legyen. Az egyes elemek kialakításánál komoly korlátot jelentett, hogy kompozitból nem tudunk bepattanó kötést kialakítani, így mindenhol csavar- vagy szegecskötést kellett alkalmaznunk. Azonban sok helyen (pl. beltér) nem esztétikus, ha a rögzítő csavarok szem előtt vannak, így igyekeztünk úgy kialakítani az egyes elemeket és mellé a szerelési sorrendet is, hogy az egymás után szerelt elemek eltakarják a korábban felhelyezett elemek rögzítését, végül az utoljára felkerülő burkolatnál szükséges külső rögzítést pedig szemmel nem látható módon helyezzük el. Ennek az ára az volt, hogy sajnos elkerülhetetlen volt bizonyos helyeken az alámetszés, ami növelte a szerszámozási költségeket (14. ábra). 15. ábra. Az Amber One exteriorja és interiorja A másik kihívás a merevség biztosítása volt az alacsony tömeg elérése mellett, mind alkatrész, mind teljes burkolat szinten. Emiatt a csatlakozási pontoktól eltekintve, szintén szendvicsszerkezet alkotta az alkatrészeket, így a nagy felületek nem deformálódnak jelentősen olyan mechanikai behatások esetén sem, mint például ha valaki ráül a karosszériára. A nagy felületeknél, mint a motorháztető, ezt extra belső merevítéssel is segítettük. A burkolat rendszerszintű merevségét úgy biztosítottuk, hogy az alkatrészek a lehető legtöbb ponton csatlakoznak az őket tartó konzolokhoz és egymáshoz, ezáltal egy nagy, merev héjat képezve a jármű körül (15. ábra). 4. ANYAGTÖRVÉNY, FORMATEST MÉRÉS, SZILÁRDSÁGI MÉRETEZÉS A geometria kialakítást követően elvégeztük a jármű szilárdsági méretezését, amelynek első lépése a kiválasztott kompozitok anyagtulajdonságainak meghatározása volt. Minden felhasznált anyag esetében szabványos vizsgálatokat végeztünk el a 0 és 90 -os szakítószilárdság, nyomószilárdság, illetve rétegközi nyírószilárdság értékekeinek meghatározására. A kapott szilárdsági tulajdonságok validálása érdekében formatesteket készítettünk, melyeket különböző módon terheltünk. A formatest vizsgálatokat szimulációs környezetben is bemodelleztük, így összehasonlíthatóvá váltak az eredmények (16. ábra). 14. ábra. A jármű burkolati elemei 16. ábra. Szendvics szerkezetű formatest 3 pontos hajlítása A szilárdsági értékek validálását, esetleges módosítását követően a jármű szilárdsági szimulációját végeztük el, amelyek során meghatároztuk minden elem rétegrendjét. A vizsgálatok során számos terhelési esetet állítottunk fel, amelyek nagy részét a futómű terheléseiből származó erők vagy jogszabályi előírások képezték. A terhelési eseteknek való megfeleltetés 2. évfolyam 5. szám, május Polimerek 129

6 17. ábra. A váz különböző szénszál erősítésű rétegeinek zónái CAD környezetben során igyekeztünk minél kevesebb rétegből kialakítani a héjelemeket az egyszerűbb gyárthatóság és a lehető legkisebb tömeg elérésének az érdekében (17. ábra). A vázat számos zónára bontottuk a terhelések alapján. Ezekben a zónákban a kompozit rétegrend minden esetben eltérő, ami jelenthet felhasznált anyagbeli, rétegszámbeli, vagy akár terítési szögbeli eltérést. A méretezési folyamatok befejeztével minden zónának elkészítettük a terítékét, illetve az ahhoz tartozó rétegrendet és egyéb gyártást elősegítő információkat tartalmazó dokumentációt. 5. GYÁRTÁS ÉS EREDMÉNYEK A tervezés elején kitűzött célokat elértük, közben rengeteg tapasztalatot szereztünk, illetve néhány továbbfejlesztési lehetőséget már most megláttunk. A tervezést követően a gyártási fázis vette kezdetét, ami összességében 5 hónapig tartott az első szerszámok kimarásának kezdetétől az összes alkatrész öszszeállításáig (17. ábra). 17. ábra. Az elkészült váz lakkozás után A jármű kompozit komponenseinek gyártásáról részletesebben a később megjelenő Kompozit elemek gyártása az Amber One elektromos sportautó számára cikkben olvashat. 130 Polimerek 2. évfolyam 5. szám, május