Bruncsics Benjámin *, Bolyky Ákos *, Henczi Tamás *, Tarcsai Roland ** Formula Student versenyautó aerodinamikai elemeinek tervezése és gyártása I. A Budapesti Műszaki Egyetem Formula Student csapatának legnagyobb fejlesztése a 2014-es versenyszezonban az aerodinamikai csomag megalkotása volt. Az összetett projekt kihívást jelentett új műszaki megoldások számára. Beszámolónk első részében a szélcsatornás analíziseket, az áramlástani szimulációkat két, illetve háromdimenziós térben, a geometriai kialakítást, anyagtörvény meghatározást ismertetjük. 1. BEVEZETÉS 1.1. FORMULA STUDENT A FORMULA STUDENT nemzetközi, egyetemista és főiskolás hallgatók számára kiírt versenysorozat. A diákokból álló csapatok versenyautó tervezésében, építésében, azok tesztelésében, illetve a projekt köré épített üzleti tervben mérhetik össze tudásukat, ezzel is szélesítve az egyetemen elsajátított ismereteiket. A versenysorozat több földrészen kerül megrendezésre, Európában nyolc országban, így például az angliai Silverstone-ban, a németországi Hockenheimben, illetve Magyarországon, a Győr-Gönyű Kikötőben. Az egyes versenyek mögött az ipar olyan kulcsfontosságú vállalatai és szakemberei állnak, mint például a SHELL vagy Ross Brawn, egykori Forma 1-es csapatfőnök. A verseny célja, hogy inspirálja a résztvevőket és vállalkozó szellemű, innovatív fiatal mérnököket képezzen. A versenyhétvégén az ún. statikus versenyszámokban a mérnökök felkészültségét teszik próbára, ahol prezentálni kell az autó műszaki megoldásait, költségtervét és az üzleti modellt. Ezt követően amennyiben az autók megfelelnek a FOR- MULA STUDENT által előírt műszaki és biztonsági szabályoknak a csapatok az ún. dinamikus számokban is összemérik erejüket, ahol már az autó tulajdonságai kerülnek a figyelem középpontjába (1. ábra). 1.2. BME FORMULA RACING TEAM A BME FORMULA RACING TEAM 2007-ben alakult a BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM-en azzal a céllal, hogy részt vegyen a FORMULA STUDENT sorozatban, hagyományt teremtve ezzel nem csak az egyetemen, hanem Magyarországon is. Hét éves fennállásunk során kilenc autót (öt benzines és négy elektromos hajtásút) építettünk. A projektekben eddig több mint háromszázötven hallgató tevékenykedett a legkülönbözőbb területeken. Jelenleg hatvanöt aktív taggal működünk, akik között található gépész-, közlekedés-, villamosmérnök és közgazdaságtan hallgató is. 1. ábra. Csapatunk a 2014-es FORMULA STUDENT HUNGARY versenyen Fontosnak érezzük tevékenységünket mindinkább integrálni, összehangolni az egyetemi képzés megfelelő tantárgyaival, szorosabb együttműködést létrehozni a meghatározó tanszékekkel és ipari vállatokkal, elismertségre szert tenni az oktatók és a szakma képviselőinek szemében, továbbá népszerűsíteni szervezetünket az egyetem hallgatói és a nagyközönség körében. A versenyautók tervezése során, közvetlenül a témából készült több mint 30 önálló féléves feladat, 3 FISITA STUDENT prezentáció, 50 TDK dolgozat és 42 diplomamunka. Ezek a dolgozatok önmagukban is magas szakmai szintet képviselnek, de összességében hangsúlyosan fejezik ki a csapat know-how-ját. A 2013-as szezonban csapatunk, a BME FORMULA RACING TEAM először alkalmazott aerodinamikai csomagot, amely ellátta a feladatát, amire tervezték: a minél nagyobb leszorítóerő elérését. Azonban ez a konstrukció nehéz volt, és a nem optimált geometria miatt rengeteg járulékos közegellenállással járt, ami a tesztek során az akkumulátor idő előtti lemerülésében jelentkezett. Ezt a szélcsatorna analízisek is megerősí- *BME Gépészmérnöki Kar, ** BME Közlekedés és Járműmérnöki Kar 1. évfolyam 1. szám, 2015. július Polimerek 27
tették, az aerodinamikai csomag nem volt alkalmas egy elektromos autót kiszolgálni. Ennek következtében a következő szezont teljesen új alapokra helyeztük. 2. AERODINAMIKA 2.1.1. A SZÁRNYAK SZEREPE A versenyzésnek egyetlen egyszerű szabálya van: a pályán gyorsabban kell körbemenni, mint bárki más. Ehhez minimális tömegű autóra van szükség, amit minél jobban lehet gyorsítani, azonban az autó nem tudja ezt elérni, ha nincs tapadása, és így a motorok teljesítménye kihasználatlan marad. A tapadás növeléséhez a kerekek terhelését kell növelni, amelyhez két megoldás létezik: növelni az autó tömegét, vagy plusz normál irányú erőt generálni a kerekeken. Mivel az első megoldás ellentmond az alapelvnek, mely szerint az autó tömegét csökkenteni kell minden lehetséges módon, ezért a második megoldáshoz általában egy aerodinamikai csomagot (első és hátsó szárnyat, valamint különleges kialakítású, egy konfúzor és egy diffúzor szakaszból álló padlólemezt) alkalmaznak. Azonban a csomag különböző elemeinek más-más szerepe is van a leszorító erő generálásán kívül. Az első szárny nem lehet a hátsóra negatív hatással, el kell terelje az áramlatokat az első kerekekről a közegellenállás csökkentése érdekében, megfelelő mennyiségű levegőt kell biztosítania a diffúzornak, a hűtőrácsnak és a fékek hűtéséhez. Természetesen mindezt úgy kell végrehajtania, hogy a lehető legtöbb leszorító erőt generálja a legkevesebb ellenállás mellett. Az autó karosszériájának a lehető legáramvonalasabb alak mellett kell megfelelő levegő mennyiséget biztosítania pl. a motor számára, a diffúzornak pedig az autó közegellenállásának csökkentése mellett kell leszorító erőt létrehoznia. A hátsó szárnynak az aerodinamikai egyensúlyra ügyelve kell a lehető leghatékonyabban generálnia a leszorító erőt a hátsó kerekek számára. 2.1.2. A SZABÁLYZAT MEGKÖTÉSEI Az aerodinamikai csomag tervezésekor a FORMULA STUDENT aktuális szabályzata szab határokat. A szabályzat számos megkötés között meghatározza például a szárnyak maximális kiterjedését, merevségét, elhelyezését, vagy akár a pilóta gyors kiszállásának biztosítását. 2. ábra. Az FREC-003 végleges és egyszerűsített CAD geometriája 2.1.3. AZ FREC-003 MICHAELA ELEMZÉSE Mivel az aerodinamikai csomagot a BME FORMULA RACING TEAM 2013-as autójához, az FREC-003 Michaela-hoz kellett tervezni, ezért az első lépés ezen autó vizsgálata volt. Ehhez először létre kellett hozni az autó egyszerűsített 3D modelljét (2. ábra), ugyanis a csapat számítási kapacitásai nem tették lehetővé, hogy olyan autó körüli áramlásokat vizsgáljunk, amelyen minden egyes csavar és alkatrész a helyén van. Az egyszerűsítés során burkolt kerekeket használtunk, elhagytuk a felfüggesztés elemeit, leegyszerűsítettük a pilótát, valamint a hátsó csővázat és az alkatrészeket egy befoglaló térfogattal helyettesítettük. Mivel az autó szimmetrikusnak tekinthető, ezért csupán a jármű bal felét vizsgáltuk a szimulációk során. A szakirodalom által javasolt méretű áramlási térben létrehoztuk a tetraéder elemekből felépített hálót, amely generálásakor sűrítéseket alkalmaztunk mind az autó felületén, mind a talaj közelében. A tetra éder háló elemszáma 3.7 millió volt, amely a vizsgálatok szempontjából optimálisabb poliéder hálóvá alakítva végül 840 ezer elemű lett (3. ábra). 3. ábra. Az optimalizált poliéder háló A szimulációs céloknak megfelelő numerikus beállításokkal, a számítások elvégzésével az FREC-003 minden fejlesztési lehetősége elénk tárult, az autót leíró paramétereket szélcsatorna mérésekkel is ellenőriztük. A szárnyatlan autó közegellenállási együtthatója 0.51 volt, amely nyitott kerekű versenyautókhoz képest alacsonynak mondható. Az aerodinamikai csomag nélküli autó felhajtó erőt termelt, ami járműdinamikai szempontból nézve nem előnyös tulajdonság egy versenyautónak. 2.2. AERODINAMIKAI CSOMAG TERVEZÉSE 2.2.1. KÖVETELMÉNYEK Az aerodinamikai csomag tervezésének célja ezen jelenség megfordítása volt, hogy az autó leszorító erőt generáljon, miközben a lehető legkevésbé növekedjen a közegellenállása az alapautóéhoz képest. A határnak a 2.5-ös jósági fokot (siklószámot) szabtuk meg, hogy legalább 2.5 egység leszorító erőt generáljon az autó, míg 1 egységnyi légellenállása van. Másik fontos jelenség az autó menetdinamikájához kapcsolódik. Az alapautó karosszériáján termelődő felhajtóerő, valamint a diffúzoron létrejövő leszorítóerő azt eredményezték, hogy az aerodinamikai nyomaték leterhelte az első kerekeket, alulkor- 28 Polimerek 1. évfolyam 1. szám, 2015. július
mányzottá téve az autót. Ezen jelenség elhárítására az aerodinamikai csomag tervezésekor arra ügyeltünk, hogy megfelelő aerodinamikai egyensúlya legyen az autónak, vagyis különböző sebességek esetén se legyen kedvezőtlen a tengelyek terhelődésének aránya. 2.2.2. ELSŐ SZÁRNY Az első szárny geometriájának tervezését megfelelő, alacsony Reynolds-számú profilok keresésével, vizsgálatával és ellenőrzésével kezdtük. Következő lépésként különböző két- és háromelemű szárnyakat vizsgáltunk 2D áramlástani szimulációkkal. Ezen vizsgálatok során az eltérő beállítási szögek és a szárnyak talajhoz és egymáshoz viszonyított relatív pozíciójának az áramlásokra gyakorolt hatását vizsgáltuk (4., 5. ábra). 6. ábra. Érzékenységvizsgálat a hátsó szárnyon A hátsó szárny háromdimenziós optimalizálása során a szárnyvéglap játszott döntő szerepet, ugyanis a gyártási költségek és az ívelt belépőéllel járó többletmunka minimalizálása végett egyenes szárnyelemeket alkalmaztunk (7. ábra). 4. ábra. Az első szárny végleges 2D áramlástani szimulációja 5. ábra. A első szárny kezdetleges 3D geometriája Az összesen 86 iterációval létrehozott 2D szárnyprofil elrendezést ezután 3D geometriává alakítottuk, hogy különböző szárnyalakokat és véglapokat vizsgáljunk, és további iterációk során eljussunk a végleges szárnygeometriához. 2.2.3. HÁTSÓ SZÁRNY A hátsó szárny 2D szimulációihoz egy új módszert alkalmaztunk. Automatikus iterálást állítottunk be, melynek bemeneteiként a három szárnyelem relatív pozícióját és állásszögét adtuk meg, valamint kimenetként a szárnyösszeállítás leszorító erőt, ellenállás tényezőit figyeltük. Az automatikus szimulációk segítségével végrehajtott érzékenységvizsgálattal felállítottunk egy korrelációmátrixot a be- és kimeneti paraméterek között, amely segítségével a közel 50 iteráció közül könynyebben ki tudtuk választani a követelményeinknek legjobban megfelelő konstrukciót (6. ábra). 7. ábra. A végleges hátsó szárny geometria konzollal 2.2.4. PADLÓLEMEZ Több padlólemez geometriát is megvizsgálva, valamint az alapkonstrukció továbbfejlesztési lehetőségeit áttanulmányozva arra a döntésre jutottunk, hogy bár megfelelő terelőelemek elhelyezésével a padlólemez által generál leszorító erő mennyisége és hatásfoka is javítható lenne, ez elhanyagolható az új geometriához szükséges szerszámköltségekhez viszonyítva (8. ábra). 2.3. ÖSSZEFOGLALÁS Az 1. táblázatban látható az FREC-003 alapautó, valamint az aerodinamikai csomaggal ellátott 2014-es szezon autója, az FREC-004 paraméterei. 1. évfolyam 1. szám, 2015. július Polimerek 29
8. ábra. Az FREC-004 padlólemeze 1. táblázat. A BME FORMULA RACING TEAM 2013 és 2014-es autóinak adatai Paraméter FREC-003 FREC-004 Cd 0.510 1.002 Cl 0.215 3.086 Cl/Cd 0.422 3.079 Megállapítható, hogy a légellenállás minimális növelésével sikerült nagy leszorítóerő generálására képes aerodinamikai csomagot létrehozni, ezzel is elősegítve az akkumulátorokból származó energia kinyerését, így a versenyeken is fontos pontokat szerezve. Az autó által képviselt 3.079-es jósági tényező (vagyis a leszorító erő és az ellenállási együttható aránya, Cl/Cd) a FORMULA STUDENT mezőnyének egyik leghatékonyabb aerodinamikai csomagja volt, a legnevesebb egyetemek többségét is megelőzve. Ez azt jelenti, hogy az autó egy átlagos kanyarsebesség, 50 km/h esetén már 440 N körüli leszorítóerő létrehozására volt képes mindössze 142 N közegellenállás mellett. A Formula 1-ből ismert plafonon futás sem lehetetlen az autó számára, megfelelő végáttétellel 130 km/h feletti sebesség esetén az autó az össztömegének megfelelő mennyiségű, több mint 3000 N-os leszorító erő generálására lenne képes (9. ábra). 3. SZERKEZETI KIALAKÍTÁS 3.1. GEOMETRIA A szárnyak anyagaként a nagy szilárdsága és merevsége ellenére kis sűrűségű szénszál-erősítésű kompozitot választottuk. Sajátos gyártástechnológiája miatt sok geometriai tervezési szempontot kellett figyelembe vennünk. A tervezés előtt így különböző geometriai megkötéseket állítottunk fel, mint például az alámetszések, vagy az éles sarkok elkerülése érdekében a minimális görbületi sugár 3 mm-ben történő korlátozását. A kompozit elemeket a CAD rendszerben felületmodellként alakítottuk ki, az egyes elemek zónáinak vastagságát pedig egy-egy paraméterként definiáltuk. Ennek oka, hogy az egymáshoz kapcsolódó héjelemek geometriai kialakítása függ ezektől a vastagságoktól, amelyeknek a pontos értékét a modell felépítésének pillanatában még nem tudhattunk, hiszen azok csak a szilárdsági méretezés során adódtak ki. A parametrikus modellfelépítésnek köszönhetően, a végeselemes számításokkal párhuzamosan történhetett a szerszámok tervezése, a kiadódó laminát-vastagságokkal pedig az összes modell gyorsan regenerálhatóvá vált, biztosítva, hogy a végleges rétegrend kialakulása és a szerszámgyártás kezdete között ne legyen időveszteség. Több gyártástechnológiai koncepciót megvizsgálva úgy döntöttünk, hogy az egyes szárnyelemeket két fél (egy alsó és egy felső) összeragasztásával állítjuk elő, a ragasztási felületeket pedig a belépő- és a kilépő élek közelében helyeztük el. A belépő élnél a ragasztóperem a szárnypofil felső részén foglal helyet, mert itt tudtuk biztosítani az alsó fél aláfordulását a minimálisan szükséges görbületek megtartásával, illetve a szárny felső, légnyomás-növekedésnek kitett része kevésbé érzékeny az áramlások leválására, mint az alsó rész (10. ábra). 10. ábra. Ragasztóperem kialakítása a belépő éleknél A kilépő él kialakításánál több konstrukciós megoldást is vizsgáltunk, amelyeket különböző szempontok szerint egy döntési mátrixban értékeltünk, hogy megkapjuk az értékrendünkben legmegfelelőbb megoldást (11. ábra). A szerkezeti kialakítás sarkalatos pontja volt a felfogatások és a kapcsolódások tervezése. Az első szárnyak felfogatását két vízvágott alumínium konzol és két, a végükön gömbcsuklós inzertekkel ellátott szénszálas kompozit cső látja el. A szárny dőlésszöge a gömbcsuklós inzertek becsavarási hosszának változtatásával szabályozható. Egyik irányelvünk a csatlakozási 9. ábra. A végleges aerodinamikai csomag 11. ábra. A kilépő élek kialakítása 30 Polimerek 1. évfolyam 1. szám, 2015. július
Az erőbevezetési pontoknál sík felfekvő felületeket alakítottunk ki a megfelelő terhelésátadás és az állandó ragasztóvastagság biztosításának érdekében. Ezeket a felületeket a hozzá kapcsolódó lemez vastagságának megfelelően besüllyesztettük, így minimalizálva a csatlakozó fülek áramlásokra gyakorolt hatását. A héjelemek belső oldalán alátét lemezt alkalmaztunk, amit szegecskötéssel rögzítettünk, elkerülve a ragasztóban ébredő előnytelen húzófeszültséget (14. ábra). 14. ábra. Az erőbevezetési pontok kialakítása 12. ábra. A felfogatási pontok kialakítása pontok összevonása volt, így kevesebb kötőelem került a szerkezetbe, ami tömegcsökkenést eredményezett. Fontos szempont volt a szerkezet merevségének a minimális tömeg melletti biztosítása. Ennek érdekében a szárny két szélén a legnagyobb lehajlást szenvedő pontokat acéldróttal hozzákötöttük a vázszerkezethez, ami minimális befolyással bír a légáramlatokra, a merevséget viszont jelentősen növeli (12. ábra). Ugyancsak a merevség növelése érdekében egy keresztmerevítő elemet terveztünk az első szárny alsó elemébe. A lehető legnagyobb másodrendű nyomaték eléréséhez ez a szárnyprofil legszélesebb keresztmetszetében fut végig, valamint kinyúlik az összes felfogatási ponthoz, ahol a legnagyobb feszültségek keletkeznek. Így az alsó elem héjainak szinte csak a légnyomás különbségekből adódó, közvetlenül rájuk ható terheléssel szemben kell a megfelelő merevséget biztosítaniuk (13. ábra). 3.2. ANYAGTULAJDONSÁGOK A szálerősített kompozitok mechanikai tulajdonságai irányfüggőek, más-más értékeket mutatnak a szálak irányában, arra merőlegesen, illetve a laminát síkjára merőlegesen is. Ezt a tulajdonságukat a mérnöki gyakorlatban a legjobban ortotróp anyagmodell használatával tudjuk közelíteni. Ezen anyagmodell felállításához lényegesen több adatra volt szükségünk, mint amennyivel a fémeket lehet leírni. Az összes szükséges paramétert az általunk gyártott próbatestek szabványos vizsgálataival határoztunk meg a BME POLIMERTECHNIKA LABO- RATÓRIUMÁ-nak szakítógépein. A próbatestek gyártásánál különösen fontos volt az alapanyagok mellett az, hogy a segédanyagok, illetve a technológia további elemei is megegyezzenek a végleges termékével. Ezzel tudtuk a leginkább megközelíteni a tényleges körülményeket, illetve a mechanikai tulajdonságokat. A legyártott próbatesteket csapatunk tagjai vizsgálták a szakítógépeken (15. ábra), majd az eredmények kiértékelése után exportáltuk a kapott állandókat a végeselemes szoftverbe. A modell helyességét többlépcsős iterációs folyamat során ellenőriztük. Az anyagmodell pontosságának vizsgálata céljából eggyel bonyolultabb terhelési esetnek, három pontos hajlításnak kitett, szárnyprofil alakú formatesten végeztünk ellenőrző méréseket. Az anyagot leíró konstansokat addig finomítottuk, amíg kielégítő egyezést érünk el a szimuláció és a mérés eredményei között. 13. ábra. Keresztmerevítő elem az első szárny belsejében 15. ábra. A formatest vizsgálata 1. évfolyam 1. szám, 2015. július Polimerek 31