- Abstrakt
- 1. Úvod
- 2. Materiály a metody
- 2.1. Viskoplastické chování v závislosti na čase. Posouzení při ráčkování
- 3. Výsledky a diskuse
- 3.1. Výsledky a diskuse Konstrukce tyče: Konvenční konstrukce pomocí hliníkových tyčí a kulových spojů
- 3.2. V případě, že by byl čep spojen s lambda prvkem, mohl by se vyskytnout problém v podobě vysokých kontaktních tlaků na vrstvy CFRP. Netradiční konstrukce pomocí polymerních prvků
- 3.3. Způsob připojení k listové pružině. Chování při ráčkování
- 4. Závěry
- Dostupnost dat
- Konflikty zájmů
- Poděkování
Abstrakt
Polyethylen s velmi vysokou molekulovou hmotností (UHMWPE) je podskupina termoplastického polyethylenu, která se vyznačuje extrémně dlouhými řetězci a v důsledku toho velmi pevným a odolným materiálem. Díky pozoruhodným specifickým mechanickým vlastnostem se jeho použití postupně rozšiřuje do mnoha oblastí použití. Tato studie popisuje, snad poprvé, jak může UHMWPE představovat platné materiálové řešení při návrhu a optimalizaci závěsů pro použití v automobilovém průmyslu, zejména v případě extrémně lehkých vozidel, jako jsou solární vozy. Konkrétně v této konstrukční studii umožnily tyče z UHMWPE zajistit specifické kinematické trajektorie, funkčnost a celkový výkon v mimořádně lehkých systémech zavěšení vyvinutých pro inovativní solární vozidlo s více cestujícími. Tyto tyče snížily hmotnost o 88 % ve srovnání s klasickými konstrukčními řešeními s podobnými funkcemi a zároveň nabízely vysokou tuhost a přesnost pohybů. Byla provedena experimentální kampaň s cílem vyhodnotit chování západky a další mechanické vlastnosti potřebné pro správnou konstrukci a použití.
1. Úvod
V některých špičkových konstrukčních aplikacích, jako je konstrukce vozidel poháněných solární energií, musí konstruktér použít materiály s co nejvyšší měrnou tuhostí a měrnou pevností, aby dosáhl minimální hmotnosti .
Solární vozidla jsou inovativní prototypy určené pro dlouhé závody v extrémních podmínkách, jako jsou například slunečné a nekonečné pouštní australské silnice World Solar Challenge . Minimalizace hmotnosti umožňuje spolu s dalšími technickými detaily a inženýrskými triky zlepšit energetickou účinnost vozidla, která představuje klíčový faktor pro úspěšný solární prototyp. Z hlediska návrhu systému zavěšení pro tuto aplikaci a kromě jakýchkoli jiných úvah, které jsou vlastní tradiční automobilové konstrukci, musí konstruktér jednat s mimořádnou pečlivostí, aby snížil všechny druhy rozptylu energie.
Vůz proto musí jezdit stabilně na asperitu vozovky, vibrace musí být minimální a setrvačnost s ohledem na změny rychlosti a směru musí být omezena. V praxi to znamená, že konstrukce musí směřovat k tuhému, lehkému a přesnému zavěšení. Možnost dosáhnout těchto výsledků souvisí také s volbou materiálu.
Podle známých Ashbyho grafů lze dojít k závěru, že volba by se měla omezit na sendviče z plastů vyztužených uhlíkovými vlákny (CFRP), a to v případě přítomnosti ohybového zatížení nebo pro absorpci energie, a lamináty v ostatních případech s možností použití kovů tam, kde jiné podmínky mohou doporučovat nepoužívat kompozity (např. vysoká kontaktní napětí, příčné zatížení a expozice). Ve velmi specifických případech, kde se vyskytují geometrická funkční omezení, jako je tomu u systému zavěšení, může konstruktér vzít v úvahu i jiné druhy materiálů, například vysoce výkonné polymery.
Předložené studie byly předběžné pro návrh plného zavěšení z CFRP pro solární vozidlo s názvem Emilia 4, solární vozidlo pro více cestujících, které navrhla a vyvinula Boloňská univerzita ve spolupráci se sdružením Onda Solare Solar Car. Toto vozidlo patří do třídy Cruiser v souladu s předpisy World Solar Challenge a jedná se o čtyřmístný závodní prototyp. Model vozu byl představen v červnu 2018 a v červenci 2018 vyhrál závod American Solar Challenge. V této soutěži vozidlo ujelo 2700 km výhradně na solární energii, což ukazuje na platný kompromis mezi různými konstrukčními možnostmi. Mezi nimi byla zvláštní pozornost věnována hledání efektivních konstrukčních řešení systémů odpružení. Celkový tvar vozidla je znázorněn na obrázku 1, kde je průhledně vidět umístění systémů zavěšení.
Pro další podrobnosti je postup návrhu podvozku vozu uveden v . Celá karoserie vozidla byla vyrobena autoklávem z CFRP/polymerního voštinového sendviče, zatímco všechny ostatní mechanické součásti se skládají z CFRP laminátů.
Na rozdíl od většiny strojírenských aplikací jsou v případě soutěžních vozidel hlavní konstrukční směry diktovány pravidly závodu, pro který jsou určena (např. ). Tyto požadavky se týkají zejména takových aspektů, jako jsou celkové rozměry, bezpečnost, viditelnost, jízdní vlastnosti a vlastnosti solárních panelů a baterií. Všechna tato technická omezení spojená s celkovým konstrukčním cílem snížit spotřebu energie vedla, pokud jde o mechanické a konstrukční aspekty, k optimalizaci aerodynamiky a k celkové hmotnosti vozu, která byla nižší než 330 kg. Po připočtení 320 kg, což je standardní hmotnost čtyř cestujících , činilo celkové zatížení čtyř zavěšení 650 kg.
Systém zavěšení je v našem případě jedinou pohyblivou částí vozidla, protože elektromotory jsou umístěny v zadních kolech, takže nejsou potřeba žádné převodové hřídele ani diferenciál.
Všeobecně řečeno, odpružení automobilu je soustava pák a pružně deformovatelných prvků, která tím, že omezuje neodpružené hmoty odpruženými hmotami, má za úkol udržovat karoserii v zavěšení realizovat předem stanovené rozložení proměnných sil – stálých sil na kola jak při trakci, tak při zatáčení a brzdění a snižovat rázy přenášené po průjezdu vozidla po asfaltu vozovky. Odpružení tedy zahrnuje všechny části, které spojují kola s rámem. Obecně se skládá ze tří hlavních částí: konstrukční části, pružné části a tlumicí části (která v naší studii není soustředěna do jediného prvku). Konstrukční část je souborem pák, které mají za úkol vést zavěšení a následně kolo v jeho pohybu vzhledem k podvozku.
Konkrétně konstrukce zvolená pro přední zavěšení, které je předmětem tohoto článku, je znázorněna na obrázku 2. Na obrázku 2 je znázorněna konstrukce předního zavěšení. Skládá se z podélného ramenního zavěšení, vhodného pro dlouhé rovné silnice, jaké se vyskytují v soutěžích na 3000+ km, s příčnou listovou pružinou, která má také protiprokluzovou úlohu, protože je spojena s oběma předními koly.
Architektura zavěšení zahrnuje tyč zatíženou tahem, která spojuje horní rameno tvaru lambda (nebo horní rameno) s listovou pružinou. V podstatě je vozidlo zavěšeno na této tyči, která přenáší zatížení na prvek lambda a poté přes sloupek na kolo.
Tato tyč musí být velmi malá, aby se vešla do schématu zavěšení, ale především musí mít na svých koncích kulové klouby, protože kinematika prvku lambda nutí horní konec tyče pohybovat se po kružnici v sagitální rovině, zatímco dolní konec se při deformaci listové pružiny pohybuje v příčné rovině.
V návaznosti na tyto úvahy byly zkoumány a porovnávány různé možnosti, včetně použití pásů z polyethylenu s ultravysokou molekulovou hmotností (obchodní název Dyneema nebo Spectra).
Mechanické vlastnosti vláken UHMWPE při pokojové teplotě jsou ve srovnání s řešeními na bázi kovů nebo kompozitů pro konstruktéra poměrně zajímavé a použití těchto polymerních pásků může vést k mnohem lehčí a kompaktnější součásti.
Ve skutečnosti má typické vlákno Dyneema s hustotou 975 kg/m3 modul pružnosti 110 GPa a pevnost v tahu 3400 MPa .
V současné době se tyto materiály vyskytují v mnoha sportovních aplikacích vyžadujících nízkou hmotnost a pevnost, jako jsou například padáky, závěsná lana pro paragliding nebo padáky a v lanoví používaném při závodním plachtění. Používají se také v lukostřelbě nebo jako sportovní rybářské šňůry ve formě monofilů. V neposlední řadě se používají v horolezectví, a to i díky své odolnosti proti oděru. Pokud jde o průmyslové aplikace, vlákna UHMWPE se používají pro lana a šňůry používané v ropném a plynárenském průmyslu na moři a v průmyslovém námořním průmyslu. Navíc díky své odolnosti proti oděru a chemikáliím jsou tato lana atraktivní alternativou ke kovovým drátům a kabelům v korozivním prostředí.
Vlákna UHMWPE se také používají jako součást vysoce výkonných plachet, často ve spojení s vlákny odolnými proti tečení, jako je karbon nebo kevlar. Problém creepu, tj. tendence k rostoucí deformaci v průběhu času za přítomnosti statického zatížení, byl poprvé zvažován v případě biomechanických aplikací .
Všeobecně je třeba použít další konstrukční postupy, aby byla zaručena odolnost proti creepu a ráčkování .
Ráčkování je definováno jako postupná akumulace plastické deformace v materiálech vystavených cyklickému zatěžování řízenému napětím s nenulovou střední hodnotou napětí. Tato akumulace postupuje s rostoucím počtem cyklů a vede případně k porušení.
O charakterizaci termoplastických vláken nebo pásů při tahově-únavovém zatížení lze nalézt velmi omezený počet odkazů.
Některé výzkumné studie jsou k dispozici o chrastivém chování objemového UHMWPE při jednoosém nebo dvouosém zatížení, přičemž se bere v úvahu i vliv přísad zejména pro biomechanické aplikace, ale pokud je autorům známo, ve vědecké literatuře nejsou k dispozici žádné studie o chrastivém chování UHMWPE vláken, přízí nebo pásů.
2. Materiály a metody
V této části jsou podrobně popsány požadavky na možná konstrukční řešení, včetně UHMWPE pásů. Pro tento materiál je uvedena charakteristika západky a je navržen postup, který umožní jeho použití v systému odpružení.
Táhlo musí přenášet statické osové zatížení rovnající se kvótě hmotnosti cestujících a vozu, která trvá na konkrétní ose. Kromě toho je vystavena dynamickému zatížení v důsledku běžného svislého kmitání, ke kterému dochází během pohybu vozidla, a konečně rázům v důsledku nárazu do překážky.
U předního zavěšení, kde jsou tyče umístěny, se vyhodnocuje, že statické zatížení na jedno kolo je 0,5 kN, když je vozidlo nezatížené, a 1 kN, když vozidlo přepravuje čtyři cestující. Dynamické zatížení se považuje za násobek statického a je stanoveno na max. 2 kN při běžné jízdě (pracovní zatížení) a na max. 5 kN v případě nárazu (zatížení v nejhorším případě). Všechny tyto síly zatěžují tyče výhradně v trakci.
Specifikace záporného a kladného zdvihu kola byly použity pro návrh listové pružiny a nejsou důležité pro volbu tyče za předpokladu, že je výrazně tužší než listová pružina.
Na obrázku 3 je znázorněna kinematika zavěšení pomocí dvou krajních poloh v bočním a čelním pohledu.
Jedním z obecných požadavků na tento prvek je, aby byl komerční a případně certifikovaný pro určité zatížení. To vylučuje možnost použít prvek z krimpovaného ocelového drátu, který by byl velmi účinný, ale pro tak vysoké zatížení v malých rozměrech (menších než 150 mm, vše včetně) nejsou k dispozici.
Odlišně od kovového řešení je třeba posoudit polymerní prvek, pokud jde o viskoplastické chování v závislosti na čase, což je to, co je popsáno v následující části.
2.1. Viskoplastické chování v závislosti na čase. Posouzení při ráčkování
Jakmile hmotnost prázdného vozidla na předním zavěšení představovala velmi malý zlomek zatížení při roztržení, bylo vzhledem k blížícímu se prvnímu závodu solárního vozidla rozhodnuto vynechat časově náročnou kampaň creep-testu a komponenty byly zkoušeny přímo v podmínkách ráčkování.
Cyklická zkouška řízená zatížením byla provedena na servohydraulickém stroji Instron 8033 vybaveném snímačem zatížení 25 kN. Frekvence byla 0,5 Hz a poměr zatížení proměnný, ale při zachování minimálního zatížení vždy na úrovni 1 kN (odpovídající kvótě hmotnosti vozidla a cestujících na jednom předním kole). Na obrázku 4 je možné vidět systém zatěžování vzorku.
Byly provedeny tři typy zkoušek, všechny se sinusovým cyklickým zatěžováním, vždy na třech vzorcích:(i)Kroková zkouška do roztržení, při níž se při zachování konstantního minimálního zatížení 1 KN zvyšovalo každých 10 cyklů maximální zatížení na 2 kN(ii)Cyklická zkouška mezi 1 a 2 kN po dobu 10000 cyklů při 0.5 Hz, což jsou normální jízdní podmínky během závodu(iii)Cyklická zkouška mezi 1 a 5 kN pro 10000 cyklů při 0,5 Hz, což jsou nejhorší podmínky, kterým je třeba čelit ve velmi omezeném počtu případů (10-20) během závodu. Poté následuje 7denní klidové období při konstantním zatížení 1 kN. Poté se na téže tyči provede cyklická zkouška v rozsahu 1 až 2 kN po dobu 10000 cyklů při frekvenci 0,5 Hz
3. Výsledky a diskuse
3.1. Výsledky a diskuse Konstrukce tyče: Konvenční konstrukce pomocí hliníkových tyčí a kulových spojů
Zřejmým komerčním řešením je hliníková tyč se dvěma kulovými spoji, jak je vidět na obrázku 5, která je vypočtena podle normy ISO 12240-4 z katalogu dostupného např. v . Uvážení výše uvedených zatížení vede k dvojici komerčních kulových hlavic, vybraných z typů uvedených v tabulce 1, spojených hliníkovým sloupkem. Celková minimální délka () tyče se stává v rozmezí 78 až 108 mm a celková hmotnost se pohybuje od 26 do 52 gramů plus několik gramů hmotnosti hliníkového pilíře.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
V tuhosti tyče dominuje ta z hliníkové části, ale to není problém, jakmile je mnohem vyšší než u pružiny.
Na druhou stranu je v tomto případě minimální délka dána geometrií hlavy a také průměr hlavy z jedné strany může být příliš velký, aby se vešel do listové pružiny, a z druhé strany je průměr spojovacího čepu () omezen na 6 mm kvůli velikosti otvoru v hlavě. To by mohlo představovat problém ve spojení s lambda prvkem kvůli vysokým kontaktním tlakům na vrstvy CFRP.
3.2. V případě, že by byl čep spojen s lambda prvkem, mohl by se vyskytnout problém v podobě vysokých kontaktních tlaků na vrstvy CFRP. Netradiční konstrukce pomocí polymerních prvků
V návaznosti na tyto úvahy byla prozkoumána možnost použití komerčního polymerního prvku. Byla testována kevlarová lana o průměru 12 mm a jmenovité odolnosti 20 kN, ale krimpování mělo stejné problémy jako v případě kovových drátů a vytváření uzlů vedlo k prudkému (a těžko předvídatelnému) snížení jmenovité odolnosti , čímž se eliminovala výhoda komerčního prvku. Na obrázku 6 je znázorněn vliv různých typů uzlů na kvazistatické chování lana. Je vidět, že utažení uzlu je zodpovědné za obrovské posuny při velmi omezeném zatížení. V žádném případě se mez pevnosti neblíží jmenovité pevnosti a také celková tuhost není vhodná pro dané použití.
Nakonec byl jako možné řešení identifikován prošívaný pás Dyneema používaný pro horolezectví a dimenzovaný s certifikačním označením CE na 22 kN, znázorněný na obrázku 7.
Minimální délka je 100 mm, hmotnost je 6 gramů, šířka je 10 mm a průměr hlavy je roven průměru kolíku plus dvojnásobek tloušťky pásku, který je 2 mm. Tyto pásky mohou být připojeny k listové pružině a k hornímu prvku lambda pomocí kolíků o průměru 12 mm, což vede k poměrně nízkému přítlaku na kompozit.
3.3. Způsob připojení k listové pružině. Chování při ráčkování
Na obrázku 8 je znázorněn typický výsledek krokové zkoušky. Je patrné ráčnovací chování, které je zřetelnější v prvních cyklech a odpovídá nižším zatížením. Zatížení při přetržení je vyšší než certifikované zatížení a odpovídá posunu 14 mm.
Na obrázku 9 je červeně znázorněn maximální a modře minimální posun odpovídající maximálnímu (5 kN), resp. minimálnímu (1 kN) zatížení v rámci cyklu.
Můžeme ukázat, že po prudkém nárůstu v prvních cyklech má účinek ráčkování tendenci se zpomalovat.
Na obrázku 10 jsou uvedeny typické výsledky tří zkoušek (všimněte si, že v tomto případě je počet cyklů v logaritmické stupnici). Na vzorcích zatížených 1-2 kN je možné ocenit stabilizační účinek předchozího zatížení 1-5 kN. Předem zatížené pásy tedy začínají na délce o 2,6 mm větší než komerční, ale chrastivé chování vlivem provozního zatížení (1-2 kN) se dramaticky snižuje. To lze vysvětlit dvěma různými jevy, ke kterým dochází při zatížení mezi 1 a 5 kN ve dvou různých rozměrových měřítkách. Na molekulární úrovni se dlouhé polyethylenové řetězce jednotlivých vláken vyrovnávají podél směru zatížení. Zatímco na mikroskopické úrovni se vlákna útku a osnovy pásu zhutňují a zarovnávají podél směru zatížení, jak ukazují rastrovací elektronové mikrofotografie na obrázku 11, kde jsou porovnány panenské a trénované pásy.
(a)
(b)
(a)
(b)
Výsledky ukazují, že je možné použít tyč z UHMWPE s tím, že je nutné ji před montáží preventivně zacvičit při vyšším zatížení, než je jmenovité, aby bylo možné zaregistrovat závěs se správnou počáteční délkou.
Navržený tréninkový protokol je následující:(i)ověřte, že maximální zatížení v nejhorším případě je nižší než maximální jmenovité zatížení vydělené vhodným bezpečnostním faktorem (čím vyšší je bezpečnostní faktor, tím menší je protažení pásu ve fázi tréninku)(ii)aplikujte maximální zatížení v nejhorším případě na počet cyklů odpovídající době trvání mise konstrukční části s realistickou frekvencí(iii)udržujte tyč staticky na minimální úrovni cyklického zatížení po stejnou dobu cyklického tréninku(iv)změřte délku tyče, abyste přizpůsobili montážní sestavu
4. Závěry
Byl prokázán návrh tyče pro odpružení lehkého vozidla. Byla provedena analýza možných konstrukčních řešení, tj, konvenční kovové tyče s komerčními kulovými spoji a komerčního polymerního prvku z UHMWPE, ukázala, že druhý z nich je schopen poskytnout určité konkurenční výhody, pokud jde o hmotnost a menší rozměry.
Však bylo zjištěno, že v tomto případě může být problémem tečení a chrastění, a to v důsledku dvou hlavních mechanismů: vyrovnání na molekulární úrovni dlouhých polyethylenových řetězců a zhutnění a vyrovnání ve směru zatížení vláken útku a osnovy pásu na mikroskopické úrovni.
Vhodné mechanické cyklické experimentální zkoušky prokázaly, že po aplikaci pracovního a nejnepříznivějšího zatížení činilo prodloužení prutu při zatížení 1 kN 2, resp. 3,2 mm.
Při použití specifického tréninkového protokolu bylo dosaženo plné stabilizace tyče s ohledem na ráčkování s mírným prodloužením, které je třeba vzít v úvahu, s ohledem na netrénované součásti.
Trénované tyče UHMWPE byly uvedenými testy kvalifikovány pro zavěšení, a to jak z hlediska maximálního zatížení, tak z hlediska rozměrové stability, a byly skutečně namontovány na vozidlo třídy Cruiser “Emilia 4”, které zvítězilo v roce 2018 v soutěži American Solar Challenge.
Dostupnost dat
Experimentální data použitá na podporu závěrů této studie jsou na vyžádání k dispozici u příslušného autora.
Konflikty zájmů
Autoři prohlašují, že nejsou ve střetu zájmů.
Poděkování
Tento výzkum podpořilo sdružení Onda Solare Solar Car Association. V neposlední řadě patří zvláštní poděkování Aně Pavlovic, Giacomu Baschettimu a Davide Peghettimu za jejich osobní přispění. Tento výzkum byl financován italským Ministerstvem zahraničních věcí a mezinárodní spolupráce (MAECI) prostřednictvím společných výzkumných projektů zvláštního významu s projektem nazvaným “Dvě sedadla pro solární auto” v rámci Výkonného programu spolupráce mezi Itálií a Srbskem v oblasti vědy a techniky.
.