A Baross Gábor pályázat keretében létrehozott Solo elektromos hibrid autó projekt összefoglalása Baross Gábor Program Nyugat-dunántúli Innovációs Fejlesztések ND_INRG_05-TAUMOBIL Az elsı magyar alternatív autó mőködı prototípusának elkészítése II. SZAKASZ Ezen tanulmány a hivatalos pályázati jelentés publikus kivonata. 1
BEVEZETİ A projekt az alábbi három fázisra bontva valósult meg: Tervezési és mőhely háttér kialakítása - szervezeti keretek (menedzsment, fejlesztık) - gyakorlati eszközök (szoftverek, számítógépek, szerszámok) - szakértıi testület Mőszaki tervezés, szimulációk végrehajtása - formatervek, 3D modellezés - alváz, karosszéria, futómő tervezés - statikai és dinamikai számítások, szimulációs vizsgálatok - ütközési szimulációs vizsgálatok - villamos tervezés - prototípus modellezés (belsı tér, pedálhajtás, ajtó, futómő) Kivitelezés - gyártás összeszerelés - vázszerkezet - karosszéria - futómő - elektromos rendszer és villamos hajtás - részelemek összeillesztése - belsı tér kivitelezése A projekt teljes ideje alatt ez egyes téma területek egymásra épülve valósultak meg. A megvalósítás minden szakaszára jellemzı volt a terv és a lehetıség idıbeni összhangjának a megteremtése. A megvalósítás sok kompromisszumot kényszeríttet a projektre, mert néhány elemnél a hazai gyártási lehetıségek igen beszőkültek. Ennek ellenére a projekt keretében megépült autó hazai fejlesztık tervei alapján készült el. 2
2. A projekt második munkaszakasza 2.1. Bevezetı A projekt második munkaszakaszának feladatai: Tanulmányírás, szabadalom elıkészítése Solo alváz, karosszéria és futómő tervezés statikai és dinamikai szimulációs vizsgálatok Solo jármő villamos tervezés gazdasági tanulmányok és elemzés. Solo prototípus modellezések (belsı tér, pedálhajtás, ajtó, futómő). A tervek alapján a prototípus részelemeinek legyártása: Erre a szakaszra általánosan jellemzı, hogy az I. munkaszakaszban részletezett munkák továbbvitele történt meg, a folyamat jellegébıl adódó változtatásokkal, a gyártást elıkészítı részletek kidolgozásával, illetve a kivitelezıkkel való egyeztetések kapcsán felmerült módosításokkal. A projekt menetét lassította, hogy a második ütem elılegét csak közel háromnegyed éves késéssel, 2007. augusztus 08-án kaptuk meg. A kivitelezést beindítottuk, de saját erınk és a rendelkezésre álló hitelünk együttesen is kevés volt ahhoz, hogy azt a terv szerinti ütemezésben tudtuk volna folytatni. A második szakasz tervezett befejezése 2007. szeptember. 30-a volt, a munkák összetorlódása és a fent említett finanszírozási problémák miatt rákényszerültünk, hogy a támogatásiszerzıdés módosítását kezdeményezzük. A II. szakasz befejezésének záróidıpontját november 30-ára kértük módosítani, és még így is néhány kivitelezési projekt-elemet a harmadik szakaszra kellett átütemeznünk. 2.2. Tervezési feladatok folytatása A 3D modell alapján az együttmőködı partnerek újabb statikai és dinamikai vizsgálatot készítettek a végleges alvázra és karosszériára, a közben az autóba elhelyezett berendezések figyelembe vételével, s folytatták az ütközési teszteket/szimulációkat. 2.21. Konstrukciós tervezések Az elızı munkaszakaszban elkészültek azok az alap konstrukciós tervek, amik a Solo jármő építéséhez szükségesek. A gyártás indításához most több összeállítási és részletrajz készült. 3
A fı szerkezeti egységek a következık: - karosszéria elemek, - policarbonát v. plexi elemek - alumínium alváz, - kormánymő ház, - ajtómozgató, - rugótartó bak - futómő felfüggesztés, - futómő tartozékok és ezek átalakítása A teljes autó karosszéria elemei Futómő, kerék felfüggesztés, kormányzás Lengés csillapités, rugós tag 4
2.22. Szilárdsági szimulációk A számításokat már a gyártási lehetıségek alapján elkészült tervekre kellet újra elvégezni. A vizsgálat kiterjedt az alu. keret függıleges, oldalirányú terhelésének illetve a keret csavarásából adódó erıhatásainak a vizsgálatára. Átlagos merevség Célérték Számított merevségi értékek SOLO Proto Új régi Torzió [knm/deg] Oldalirányú [kn/mm] Hajlító [kn/mm] 8-11 >20 88,1 165,1 nincs >5 14,4 25,2 5-17 >20 31,4 112 A vizsgálatok eredményébıl jól látható hogy az alu. keret merevsége többszöröse a célértéknek. A második ütemben még nem dılt el, hogy az autó átlátszó felületei polikarbonátból, vagy plexibıl lesznek legyártva. Így mindkét anyagminıséggel elkészítette az alvállalkozó az autó dinamikai vizsgálatát. 5
Dinamikai VÉGESELEM MODELL (Solo) Végeselem modell méretei: - Csomópontszám: 144205 - Elemszám: 151003 Elemtípusok: Q4 4 csomópontos négyszög lemezelem T3 3 csomópontos négyszög lemezelem HEX 8 csomópontos térbeli hasáb elem PENTA 6 csomópontos térbeli ék elem RBE2 merev elem - Karosszéria elemek száma: 34 Anyagtípusok száma: 5 Elemminıség: Aspect Ratio= 5 (by NASTRAN) Skewness= 45 (by PATRAN) Internal angle: QUAD Min.=45 Max=135 TRIA - Min.=40 Max=120 Az összefoglaló anyagban a plexi elemeket alkalmazó autó lengésképének az eredményeit mutatjuk be, mivel a prototípus végül ebbıl készült el. 6
2.23. Ütközési szimulációk Szimuláció céljai - a SOLO prototípus vázszerkezete szabványos (frontális, oldal) ütközési jellemzıinek meghatározása számítógépes szimuláció alkalmazásával - kompozit vázelemek minél valóságosabb számítógépes modellezése - az eredmények alapján javaslattétel a vázszerkezet esetleges módosításaira - összhang a váz statikai, dinamikai jellemzıivel Szabványos EURO/NCAP ütközési 7
modell (SOLO/ Proto) A frontális ütközés céljára kidolgozott szimulációs modell tartalmazza a szélvédıvel és oldalablakokkal ellátott teljes jármőmodellt, mellsı és hátsó futómőveket, kerekeket, elektromos agymotorokat, fékeket, ajtókat, pedálgenerátorokat, kormánygépet és a hajtáslánc egyszerősített elemeit. A szabvány szerinti frontális ütközés esetén a jármő 64 km/h sebességgel ütközik a rugalmas ütközı felületnek. Jármő tömege= 565 kg A frontális ütközési szimuláció energia görbéi 8
A frontális ütközési szimuláció gyorsulás és kontak-erı görbéi Összegzés - Frontális crash - Az utastér, kompozit keret és a könnyőfém alváz nem deformálódott súlyosan az ütközés során. - Az orrlemezek, bal oldali kerékdob lemezek, bal futómő alkatrészek súlyosan deformálódtak, tönkrementek (kompozit elemek) az ütközés során. - Az orrlemezeket (lökhárító, motorháztetı, stb) tartó balodali kompozit profil teljes tönkremenetele figyelhetı meg. - A kompozit profil tönkremenetele után merev felütközés történik az alváz elülsı részére szerelt elektromos kapcsolódobozokon, ennek hatására jelentıs ugrás tapasztalható a gyorsulásgörbén és a kontakt erı is ebben az idızónában éri el maximumát. - Biztonsági szempontból szükséges az elektromos kapcsolódobozok áthelyezése, valamint energia elnyelık beépítése a jármő orr részébe. Szabványos EURO/NCAP Oldal crash (SOLO/Proto) A szabvány szerinti oldal ütközés esetén a jármőnek 50 km/h sebességgel ütközik a rugalmas ütközı felülettel rendelkezı kocsi. Jármő tömege= 565 kg 9
Összegzés - Oldal Crash - A kompozit keret és a könnyőfém alváz nem deformálódott súlyosan az ütközés során - Az ajtó kompozit elemei súlyosan deformálódtak, tönkrementek az ütközés során - A plexi oldalablak teljesen megsérült, hosszában felhasadt az ütközés során - Az A-oszlop, B-oszlop és küszöb nem deformálódott jelentısen, sikeresen vesznek részt az utastér védelmében - Biztonsági szempontból szükséges az ajtókba épített hosszmerevítık kifejlesztése, valamint az aktív energiaelnyelı kompozitok felszerelése a jármő két oldalára. 2.3. Alkatrészek gyártatása A projekt második ütemének a legfontosabb elemei voltak a részletes 3D konstrukciós tervek, az alu-alváz, futómő, kormánymő kiválasztása, a kompozit és plexi karosszéria elemekhez a megfelelı gyártók megtalálása. Az alvállalkozókkal együtt elkészítettük azokat a konstrukciós terveket, amik a Solo jármő építéséhez szükségesek, így a szénszálas kompozitból felépülı külsı karosszéria elemek terveit, amik alapján a gyártásához MDF-bıl ısminták készültek. A szén- és üvegszálas kompozit elemek un. kézi laminálással készültek el, amihez az ısminták alapján mőanyag negatív szerszámokat is kell készíteni. Ez alapján a vállalkozó elkészítette a mőanyag negatív mintákat, illetve a szén és üvegszálas kompozit elemeket. Az autó szilárdsági számításai és törés vizsgálatai szén és üvegszálas kompozit elemekre készültek el, és a felhasznált anyag minıségek a tervezıi elıírásoknak megfelelıen lettek kialakítva. 2.31. İsminták gyártása A kompozit és plexi karosszéria elemek gyártásához a mdf lapokból CNC technológiával elkészített szerszámokat (ısmintákat) kellett gyártatni. A CNC technológiával elkészült szerszámok 10
2.32. Mőanyagformák és karosszériaelemek gyártása Az elkészült mőanyagformák alapján elkészültek az autó karosszéria elemei. A mőanyagformák 11
A karosszéria elemek 2.33. Alumínium alváz és futómő gyártása Elkészült az alu-alváz, valamint a futómőhöz és kormánymőhöz szükséges alkatrészek A legkritikusabb az alumínium alváz keret elkészítése volt, mert erre lesz felépítve az autó. A munka az alu-szerkezet darabolásából, hegesztésébıl, karusszer-esztergán való tőrt méretnek megfelelı furások elvégzésébıl állt. A többi alkatrész anyaga acél, ezek is a fémipari tevékenység körébe tartoznak. A feladatok itt is darabolás, hegesztés, forgácsolás és edzés témakörébe tartoztak. A vállalkozó tevékenysége révén elkészültek azok a fém alkatrészek, illetve át lettek alakítva azok a futómő alkatrészek, amik szükségesek a Solo jármő megépítéséhez. Továbbá kialakításra került az a kerék felfüggesztés, amihez csatlakoztathatóak a kifejlesztett elektromos agymotorok. 12
alu alváz 2.4. Villamos rendszer és kerék agymotor tervezése, kivitelezése A fejlesztés második ütemében igen sok idıt fordítottunk a jármőmozgatásában jártas villamos szakemberek megtalálására. Több szakemberrel és vállalkozással is tárgyaltunk, de nem találtunk olyan vállalkozót, aki egyben elvállalta volna a rendkívül összetett villamos rendszer tervezését és kivitelezését (többszintő villamos hajtás, napelemes energiagyőjtés, hatékony akku alkalmazása, akkuvezérlés, elektromos kerékagymotorok). Így több részre bontottuk szét a feladatokat. Az elektromos részegységek tervezésére és kivitelezésére végül két céggel szerzıdtünk le: az egyik feladata a vezérlés és vezérlıegységek legyártására: a kormány, gázkar, elektromos vezérlés, a hajtások a teljes prototípus egészére vonatkoztatva, biztonsági elektronika, világítás, és egyéb elektromos egységek rendszerbe foglalása és ezek szerelése. a másikkal alábbi feladatokra: az elektromos agymotor-generátor tervezése és gyártatása (valamennyi kerékre) és szerelése, a szabályozása, a töltı és kisütı elektronika, továbbá az Antro Kht. fejlesztésében megvalósuló taposó generátor illesztése a hajtáslánchoz.. Az elsı alvállalkozó az elsı részteljesítés után idı és kapacitáshiányra hivatkozva elállt a szerzıdés folytatásától, ami nagy problémát okozott a speciális szakterület, a hátralévı idı rövidsége és a feladat kulcsfontossága miatt. Az utolsó pillanatban sikerült megoldást találni és a munkákat átvette egy új vállalkozó. A második munkaszakaszban így megtörtént a koncepció alapján a kerékagymotorok részletes tervezése, a motorok kivitelezésének, valamint a hajtáselektronika rendszertervének elıkészítése. A mellsı és hátsó kerékagymotorok részletes tervdokumentációja a kidolgozott paraméterek teljesítésével elkészült. A hozzá kapcsolódó elıkészítı munkák is elindultak, melyek a következı szakaszban fejezıdnek be. 13
összeszerelt kerékagy motorok A villamos munkák egyik igen bonyolult részét, a taposópedál-generátor megvalósítását az Antro Kht. oldotta meg saját tervezés és kivitelezés formájában. A taposópedál-generátor Elektromos rendszerterv 14
Elkészültek a rendszerterv módosítások, jelentıs, a szempontrendszer szerint indokolt átalakításokkal. A kerékagymotorok a gépész konstrukciók miatt jelentıs átdolgozást igényeltek. A villamos részegységek beszerzése terv szerint haladt, de a Li-ion akkumulátorok megrendelésével voltak problémák. 2.5. Az autó belsı kialakítása A második szakaszban a formatervezınk egy diplomázó segítségével elkészítette a Solo belsı terének formaterveit, ami alapot adott a belsı tér konstrukciós terveinek az elkészítéséhez. 15
2.6. A fejlesztés fenntarthatóságát szolgáló tanulmányok 2.61. Szabadalmi vizsgálatok, és szabadalmi stratégia Új elem a szabadalmi vizsgálat, és a tanulmány készítése, mely az iparjogvédelem oldaláról ad lényeges szempontokat a védelmi, illetve fejlesztési stratégia felé. Tevékenység leírása: A Solo-Duo jármő fejlesztésével kapcsolatos szabadalmi stratégia felülvizsgálata és véleményezése az eddig eltelt idıszak eredményeinek, történéseinek áttekintésével. A meglévı szabadalmak helyzetének, fenntartásának vagy elvetésének értékelése. Fentiek birtokában, a projekt keretében folyó fejlesztés mőszaki áttekintésével hatékony szabadalmi, iparjogvédelmi stratégia kidolgozása. Elkészült feladatok és elért eredmények: Többkörös egyeztetés kapcsán feltártuk az eddigi lépéseket, megtörtént a meglévı szabadalmak értékelése. Megállapítást nyert, hogy más piaci szereplık jogszerzése a két bejelentés vonatkozásában a jövıben kizárható, illetve hatékonyan gátolható. Rögzítésre került az a követendı iparjogvédelmi stratégia, mely a jövıbeni ütemezés alapján késıbbre halasztott bejelentéseket javasol. Ugyanis a mőszakilag teljesen kiforrott, konkrét konstrukciók esetében azok jóval nagyobb eséllyel védhetık, valamint a jelentıs jogvédelmi költségek is csak késıbb jelennek meg, ezáltal pedig reálisan finanszírozhatók. A taposópedál generátor, mint mőszaki megoldás a késıbbiekben egy önálló termék is lehet, aminek a lehetséges hasznosítása a Solo-Duo jármőtıl függetlenül is történhet. 2.62. Új jármő változatok kidolgozása Az új jármőváltozatok kidolgozása a Solo jármőhöz csatlakoztatható újabb funkciók elemzésével történt. Kidolgozásra került a Porto pickup, Veho kisbusz, valamint az Invenio lakóautó formaifunkcionális, valamint mőszaki koncepciója. A feladat legnagyobb kihívása abból adódott, hogy hogyan ötvözhetı a meglévı geometria az új és eltérı funkciókkal úgy, hogy harmonikus egységet képezzen. A szerzıdés teljesítése után az eredmény érdekében további finomító munkavégzés történt a vállalkozó és az Antro Kht munkatársainak részvételével. A leendı jármőváltozatok jelentısen kibıvítik a potencionális vásárlói kört, valamint eddig ismeretlen flexibilitás lehetıségét vetítik elıre. A Solo-Duo mőszaki megoldásainak kialakításában pedig az új változatok fontos, új szempontokat is felvetnek, melyek a fejlesztés során integrálásra kerülnek. 16
17
2.63. Alternatív üzemagyag kérdései, illetve a humánerıforrás szükségletek A harmadik feladat az alternatív üzemanyagok elıállításának mezıgazdasági és technikai hátterének, valamint a humánerıforrás igényének felmérésérıl szólt. Az elkészült összefoglaló elemzi a különféle bioüzemanyagok felhasználásának lehetıségeit, elsısorban elérhetıségükre, a forgalmazás, gyártás, szabályozás trendjeire tekintettel. Továbbá részletesen vizsgálja az autó további fejlesztésének, piacra jutásának lépéseit, illetve ezen lépések erıforrásigényét (az idı, pénz, humán erıforrás hármasra koncentrálva). 2.7. A második munkaszakasz összefoglalója A konkrét, fizikai összeszerelés, építés, megvalósítás az utolsó 3-4 hónapba történı bezsúfolódása miatt szükségessé vált új munkatársak felvétele. A fejlesztıi találkozók az utolsó 2 hónapban kétheti gyakorisággal valósultak meg. A második ütemre tervezett két lényeges projektelemet át kellett ütemeznünk a harmadik munkaszakaszra: - Magyarországon csak egy olyan polikarbonáttal, plexivel foglalkozó gyártót sikerült találnunk, aki az autó átlátszó elemeit le tudja gyártani, de ık a gyártást csak január elejétıl vállalták - a második ütem finanszírozási problémái miatt az itt vállalt összeszerelések csak a harmadik ütemben tudnak megvalósulni. A második ütemben az alábbi tervek és vizsgálati anyagok valósultak meg, mint a fejlesztés eredményei: 1. konstrukciós és 3D modell tervek 2. statikai és dinamikai szimulációs vizsgálatok 3. a Solo törésteszt szimulációi 4. a karosszéria elemek szerszámai (ısmintái) 5. a negatív minták, illetve a kész karosszéria elemek szénszálas kompozitból. 6. elkezdett belsı tér megvalósítás 7. pedálgenerátor tervei, és a megvalósítás elkezdése 18
8. villamos koncepció kialakítása, kivitelezı, gyártó keresése. 9. új villamos koncepció, villamos elemek megrendelése, vásárlása (kormány, napelemek LCD kijelzık, akkumulátorok, akkumulátor felügyelet, fékek, LED izzók) 10. 2+2 db agymotor tervezése, és gyártás beindítása 11. alumínium alváz gyártása, illetve a futómő és kormánymő elemeinek az átalakítása 12. a Solo-hoz kapcsolható további jármőváltozatok formaterveinek az elkészítése 13. új szabadalmi stratégia kidolgozása, szabadalmi elıkészítés, részletes újdonság vizsgálat a pedálgenerátorral kapcsolatban, javaslat a jármővel kapcsolatos találmányi, ipari mintaoltalom, védjegy kérdéseirıl 14. az alternatív üzemanyagokkal kapcsolatos, valamint a fejlesztés és a sorozatgyártás humán erıforrás szükségletének összefoglalója 15. fejlesztıi találkozók jegyzıkönyvei 16. szakértıi testületi ülések jegyzıkönyvei 17. Solartaxi találkozó 18. gazdasági elemzése 19. a Széchenyi István Egyetemen, a BME Jármőgépészeti Tanszéken, valamint Zalaegerszegen a Pannonnovum Innovációs konferencián elıadások a Baross Gábor pályázat keretében elért eredményekrıl. Elıadás a BME Jármő tanszéken valamint a Széchényi István Egyetemen 19