- Abstrakt
- 1. Indledning
- 2. Materialer og metoder
- 2.1. Ratcheting-vurdering
- 3. Resultater og diskussion
- 3.1. Stangens udformning: Konventionel konstruktion med aluminiumsstænger og kugleformede forbindelser
- 3.2. Ukonventionel konstruktion ved hjælp af polymerelementer
- 3.3. Ratcheting Behavior
- 4. Konklusioner
- Tilgængelighed af data
- Interessekonflikter
- Akkreditering
Abstrakt
Ultrahøjmolekylærvægtspolyethylen (UHMWPE) er en undergruppe af termoplastisk polyethylen, der er kendetegnet ved ekstremt lange kæder og dermed et meget hårdt og modstandsdygtigt materiale. På grund af bemærkelsesværdige specifikke mekaniske egenskaber udvides dets anvendelse gradvist til at omfatte flere anvendelsesområder. I denne undersøgelse beskrives, måske for første gang, hvordan UHMWPE kan udgøre en gyldig materialeløsning i forbindelse med design og optimering af affjedringer til brug i biler, især i tilfælde af ekstremt lette køretøjer som f.eks. solcellebiler. I denne designundersøgelse har UHMWPE-stænger især gjort det muligt at sikre specifikke kinematiske baner, funktionaliteter og overordnede præstationer i et usædvanligt let affjedringssystem, der er udviklet til et innovativt solcellekøretøj med flere passagerer. Disse stænger reducerede vægten med 88 % i forhold til de klassiske designløsninger med lignende funktioner og gav samtidig en høj stivhed og præcision i bevægelserne. Der blev gennemført en eksperimentel kampagne for at evaluere ratcheting-adfærd og andre mekaniske egenskaber, der er nødvendige for en korrekt udformning og anvendelse.
1. Indledning
I nogle banebrydende strukturtekniske anvendelser, som f.eks. design af køretøjer, der drives af solenergi, skal designeren anvende materialer med den højest mulige specifikke stivhed og specifikke styrke for at opnå den mindste vægt .
Solkøretøjerne er innovative prototyper, der er bestemt til at køre lange løb under ekstreme forhold, som f.eks. de solrige og endeløse australske ørkenveje i World Solar Challenge . Minimering af vægten gør det muligt, sammen med andre tekniske detaljer og ingeniørmæssige tricks, at forbedre køretøjets energieffektivitet, som er en nøglefaktor for en vellykket solcelleprototype. I forbindelse med udformningen af et affjedringssystem til denne anvendelse og ud over alle andre overvejelser i forbindelse med traditionelt bildesign skal designeren være yderst omhyggelig med at reducere enhver form for energispild.
Derfor skal bilen køre stabilt på vejens asfalt, vibrationerne skal være minimale, og inertien i forbindelse med hastigheds- og retningsændringer skal begrænses. Det betyder i praksis, at konstruktionen skal være direkte rettet mod stive, lette og præcise affjedringer. Muligheden for at opnå disse resultater hænger også sammen med valget af materiale.
Så vidt angår de velkendte Ashby-diagrammer fører det til den konklusion, at valget bør begrænses til sandwiches af kulfiberforstærket plast (CFRP) i tilfælde af bøjningsbelastning eller til energiabsorption og laminater i de øvrige tilfælde, med mulighed for at anvende metaller, hvor andre forhold kan tale imod anvendelse af kompositter (f.eks. høje kontaktspændinger, tværgående belastning og eksponering). I meget specifikke tilfælde, hvor der er geometriske eller funktionelle begrænsninger, som f.eks. i affjedringssystemet, kan designeren tage andre typer materialer, f.eks. højtydende polymerer, i betragtning.
De undersøgelser, der præsenteres i, var indledende for udformningen af en fuld CFRP-affjedring til solcellebilen Emilia 4, en solcellebil med flere passagerer, som er designet og udviklet af universitetet i Bologna i samarbejde med Onda Solare Solar Car Association. Køretøjet tilhører Cruiser-klassen i overensstemmelse med World Solar Challenge-reglerne og er en prototype med fire sæder til løb. Bilmodellen blev præsenteret i juni 2018 og vandt den amerikanske Solar Challenge i juli 2018. I denne begivenhed kørte køretøjet 2700 km udelukkende ved hjælp af solenergi, hvilket viser et gyldigt kompromis mellem de forskellige designvalg. Blandt dem blev der lagt særlig vægt på at søge effektive designløsninger for affjedringssystemerne. Køretøjets generelle form er vist i figur 1, hvor ophængningssystemernes placering er synlig i gennemsigtighed.
For yderligere detaljer er designprocessen for bilens chassis vist i . Hele køretøjets karosseri blev fremstillet autoklaveret af CFRP/polymer-honeycomb-sandwich, mens alle andre mekaniske komponenter består af CFRP-laminater.
Afvigende fra de fleste tekniske anvendelser er de vigtigste designretninger i tilfælde af konkurrerende køretøjer dikteret af reglerne for det løb, de er bestemt til (f.eks.) Disse krav vedrører især aspekter som overordnede dimensioner, sikkerhed, synlighed, køreegenskaber og egenskaber for solpaneler og batterier. Alle disse tekniske begrænsninger kombineret med det overordnede designmål om at reducere energiforbruget har med hensyn til de mekaniske og strukturelle aspekter ført til aerodynamisk optimering og til en totalvægt på bilen på under 330 kg. Hvis man tilføjer 320 kg, som er standardvægten for fire passagerer , var den samlede belastning på de fire ophæng på 650 kg.
Affjedringssystemet er den eneste bevægelige del af køretøjet i vores tilfælde, da elmotorerne er placeret inde i baghjulene, så der ikke er behov for transmissionsaksel eller differentiale.
Generelt set er en bils affjedring en samling af håndtag og elastisk deformerbare elementer, som ved at fastholde de uaffjedrede masser med de affjedrede masser har til opgave at holde karrosseriet i affjedring at gennemføre en forudbestemt fordeling af de variable kræfter – vedvarende kræfter på hjulene både ved trækkraft, kurver og bremsning – og at reducere de stød, der overføres efter køretøjets passage på vejens asfalt. Affjedringen omfatter derfor alle de dele, der forbinder hjulene med rammen. Generelt består den af tre hoveddele: en strukturel del, en elastisk del og en dæmpningsdel (som i vores undersøgelse ikke er koncentreret i et enkelt element). Den strukturelle del er et sæt løftestænger, der har til formål at styre affjedringen og dermed hjulet i dets bevægelse i forhold til chassiset.
Den konstruktion, der er valgt til den forreste affjedring, som er i fokus i denne artikel, er vist i figur 2. Det består af et langsgående armophæng, der er velegnet til lange lige veje, som dem, man møder i konkurrencerne på over 3000 km, med en tværgående bladfjeder, der også har en antirollfunktion, da den er forbundet med begge forhjul.
Affjedringsarkitekturen består af en spændingsbelastet stempelstang, der forbinder den øverste lambdaformede arm (eller øvre arm) med bladfjederen. I bund og grund er køretøjet ophængt til denne stang, der overfører belastningen til lambdaelementet og derefter gennem en søjle til hjulet.
Denne stang skal være meget lille for at passe ind i ophængningsordningen, men den skal først og fremmest have kugleformede led i enderne, fordi lambdaelementets kinematik får den øverste ende af stangen til at bevæge sig på en cirkel i sagittalplanet, mens den nederste ende bevæger sig i tværplanet under bladfjederens deformation.
I forlængelse af disse overvejelser blev forskellige muligheder undersøgt og sammenlignet, herunder brugen af polyethylenstrimler med ultrahøj molekylvægt (handelsnavn Dyneema eller Spectra).
UHMWPE-fibrenes mekaniske egenskaber ved stuetemperatur er ganske interessante for designeren sammenlignet med metal- eller kompositbaserede løsninger, og brugen af disse polymerstrimler kan føre til en meget lettere og kompakt komponent.
Med en massefylde på 975 kg/m3 har et typisk Dyneema-garn faktisk et elasticitetsmodul på 110 GPa og en trækstyrke på 3400 MPa .
I dag findes disse materialer i mange sportsanvendelser, der kræver lethed og styrke, f.eks. i parasoller, ophængningsliner til paraglidere eller faldskærme og i rigning, der anvendes i konkurrencesejlads. De anvendes også til bueskydning eller som sportsfiskerliner i form af monofilamenter. Endelig anvendes de også til klatring, bl.a. på grund af deres slidstyrke. Hvad angår industrielle anvendelser, anvendes UHMWPE-fibre til reb og tovværksprodukter, der anvendes inden for offshore olie- og gasindustrien og den industrielle marineindustri. Desuden gør deres slidstyrke og kemiske modstandsdygtighed disse reb til attraktive alternativer til metaltråde og -kabler i korrosive miljøer.
UHMWPE-fibre anvendes også som en komponent i højtydende sejl, ofte sammen med en krybningsbestandig fiber som f.eks. kulstof eller Kevlar. Problemet med krybning, dvs. tendensen til at få en stigende deformation over tid ved tilstedeværelse af en statisk belastning, blev først overvejet i forbindelse med biomekaniske anvendelser .
Generelt skal der anvendes yderligere designprocedurer for at sikre modstandsdygtighed over for krybning og ratcheting .
Ratcheting defineres som den progressive ophobning af plastisk deformation i materialer, der udsættes for spændingskontrolleret cyklisk belastning med en middelspænding, der ikke er nul. Denne ophobning sker, efterhånden som antallet af cyklusser stiger, hvilket muligvis fører til svigt.
Der findes et meget begrænset antal referencer om karakterisering af termoplastiske fibre eller strimler ved træk- og trækudmattelsesbelastning.
Der findes en del forskningsundersøgelser om den ratcheting-adfærd, som UHMWPE i bulk har under uniaxial eller biaxial belastning, idet der også tages hensyn til effekten af additiver, især til biomekaniske anvendelser, men så vidt forfatterne ved, findes der ingen undersøgelser i den videnskabelige litteratur om ratcheting-adfærd af UHMWPE-fibre, -garn eller -strimler.
2. Materialer og metoder
I dette afsnit beskrives kravene til de mulige konstruktionsløsninger, herunder UHMWPE-strimler, i detaljer. For dette materiale vises karakteriseringen af ratchen, og der foreslås en procedure, der gør det muligt at anvende det i affjedringssystemet.
Stangen skal bære en statisk aksial belastning svarende til den kvote af passagerernes og bilens vægt, der insisterer på den specifikke akse. Desuden er den udsat for dynamiske belastninger som følge af de normale vertikale svingninger, der opstår under køretøjets bevægelse, og endelig for stød som følge af påkørsel af forhindringer.
Med hensyn til den forreste ophængning, hvor stængerne er placeret, vurderes det, at den statiske belastning pr. enkelt hjul er 0,5 kN, når køretøjet er ubelastet, og 1 kN, når køretøjet transporterer fire passagerer. Den dynamiske belastning betragtes som et multiplum af den statiske belastning, og den er fastsat til maks. 2 kN ved normal kørsel (arbejdsbelastning) og maks. 5 kN i tilfælde af stød (værst tænkelige belastning). Alle disse kræfter belaster stængerne udelukkende i trækkraft.
Specifikationerne for hjulets negative og positive slag blev anvendt ved udformningen af bladfjederen og er uden betydning for valget af stangen, forudsat at den er betydeligt stivere end bladfjederen.
I figur 3 er ophængets kinematik vist ved hjælp af de to yderpositioner i side- og frontaloptik.
Et generelt krav til dette element er, at det skal være kommercielt og eventuelt certificeret for en bestemt belastning. Dette udelukkede muligheden for at anvende et element fremstillet af krympet ståltråd, som ville have været meget effektivt, men de er ikke tilgængelige til så høje belastninger i små dimensioner (mindre end 150 mm, alt inklusive).
Afvigende fra metalløsningen skal en polymerkomponent vurderes med hensyn til den tidsafhængige viskoplastiske opførsel, som er det, der beskrives i næste afsnit.
2.1. Ratcheting-vurdering
Så snart det tomme køretøjs vægt på det forreste ophæng udgør en meget lille brøkdel af brudbelastningen, blev det på grund af det nært forestående første løb med solkøretøjet besluttet at springe en tidskrævende krybeprøvningskampagne over, og komponenterne blev testet direkte under ratcheting-betingelser.
En belastningsstyret cyklisk prøvning blev udført på en servohydraulisk Instron 8033-maskine, udstyret med en 25 kN belastningscelle. Frekvensen var 0,5 Hz og belastningsforholdet variabelt, men den mindste belastning blev altid holdt på 1 kN (svarende til en kvote af køretøjets og passagerernes vægt på et enkelt forhjul). I figur 4 er det muligt at se prøvebelastningssystemet.
Der blev udført tre typer af prøvninger, alle med sinusformet cyklisk belastning, på tre prøver hver: i)Trinprøvning til brud, hvor den maksimale belastning med en konstant minimumsbelastning på 1 KN blev forhøjet til 2 kN hver 10. cyklus(ii)Cyklisk prøvning mellem 1 og 2 kN i 10000 cyklusser ved 0.5 Hz, som er den normale kørselsbetingelse under løbet(iii)cyklisk prøvning mellem 1 og 5 kN i 10 000 cyklusser ved 0,5 Hz, som er den værst tænkelige betingelse, der skal overholdes ved et meget begrænset antal gange (10-20) under løbet. Derefter en hvileperiode på 7 dage ved en konstant belastning på 1 kN. Derefter, på den samme stang, en cyklisk prøvning mellem 1 og 2 kN i 10000 cyklusser ved 0,5 Hz
3. Resultater og diskussion
3.1. Stangens udformning: Konventionel konstruktion med aluminiumsstænger og kugleformede forbindelser
Den oplagte kommercielle løsning er en aluminiumsstang med to kugleformede forbindelser, som det fremgår af figur 5, der er beregnet i henhold til ISO 12240-4 fra det katalog, der f.eks. findes i . I betragtning af de ovennævnte belastninger fører det til et par kommercielle sfæriske hoveder, der vælges blandt de typer, der er vist i tabel 1, og som er forbundet med en aluminiumsøjle. Den samlede minimumslængde () af stangen bliver fra 78 til 108 mm og den samlede vægt fra 26 til 52 gram plus nogle få gram af vægten af aluminiumssøjlen.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Stivheden af stangen er domineret af den ene aluminiumsdel, men det er ikke et problem, så snart den er meget højere end fjederens.
På den anden side er mindstelængden i dette tilfælde bestemt af hovedgeometrien, og også hoveddiameteren fra den ene side kan være for stor til at passe i bladfjederen, og fra den anden side er forbindelsesboltdiameteren () begrænset til 6 mm på grund af hovedhullets størrelse. Dette kan være et problem i forbindelse med forbindelsen til lambdaelementet på grund af høje kontakttryk på CFRP-lagene.
3.2. Ukonventionel konstruktion ved hjælp af polymerelementer
I forlængelse af disse overvejelser blev muligheden for at anvende et kommercielt polymerelement undersøgt. Kevlarreb med en diameter på 12 mm og en nominel modstand på 20 kN blev afprøvet, men krympning havde de samme problemer som med metaltråde, og at lave knuder førte til en kraftig (og vanskelig at forudse) reduktion af den nominelle modstand , hvilket på denne måde eliminerede fordelen ved det kommercielle element. I figur 6 vises virkningen af forskellige typer knuder på rebets kvasistatiske opførsel. Det kan ses, at knudens stramning er ansvarlig for store forskydninger med en meget begrænset belastning. I ingen tilfælde er den maksimale styrke tæt på den nominelle styrke, og den samlede stivhed er heller ikke egnet til anvendelsen.
Endeligt blev et Dyneema-syet bånd, der anvendes til bjergbestigning og er klassificeret med CE-certificeringsmærkning til 22 kN, som vist i figur 7, identificeret som en mulig løsning.
Den mindste længde er 100 mm, vægten er 6 gram, bredden er 10 mm, og hovedets diameter er lig med stiftdiameteren plus to gange båndets tykkelse, dvs. 2 mm. Disse strimler kan forbindes til bladfjederen og til det øverste lambda-element ved hjælp af stifter på 12 mm, hvilket medfører et ret lavt kontakttryk på kompositten.
3.3. Ratcheting Behavior
I figur 8 er vist et typisk resultat af en trinprøvning. Der kan ses en skraldeadfærd, der er mere tydelig i de første cyklusser, hvilket svarer til de lavere belastninger. Brudbelastningen er højere end den certificerede belastning og svarer til en forskydning på 14 mm.
Figur 9 viser den maksimale, med rødt, og den minimale forskydning, med blåt, svarende til henholdsvis den maksimale (5 kN) og minimale (1 kN) belastning inden for cyklusen.
Det kan vises, at efter en kraftig stigning i de første cyklusser, har ratcheting-effekten en tendens til at aftage.
I figur 10 er de typiske resultater af de tre prøvninger vist (bemærk, at antallet af cyklusser i dette tilfælde er i en logaritmisk skala). Det er muligt at værdsætte den stabiliserende virkning på de 1-2 kN belastede prøveemner af en tidligere 1-5 kN belastning. De forbelastede strimler starter således med en længde, der er 2,6 mm højere end den kommercielle længde, men den skraldende adfærd som følge af driftsbelastningen (1-2 kN) er drastisk reduceret. Dette kan forklares ved to forskellige fænomener, der opstår under belastningen mellem 1 og 5 kN på to forskellige dimensionsskalaer. På molekylært niveau bliver de lange polyethylenkæder i den enkelte streng rettet ud langs belastningsretningen. På mikroskopisk niveau bliver strengene i strimlens skud og kæde komprimeret og justeret langs belastningsretningen, som det fremgår af scanningelektronmikrograferne i figur 11, hvor jomfru- og trænede strimler sammenlignes.
(a)
(b)
(a)
(b)
Resultaterne viser, at det er muligt at anvende UHMWPE-stangen, idet man skal være forsigtig med at træne den før montering ved en højere belastning end den nominelle, for at registrere ophængningen med den rigtige udgangslængde.
Den foreslåede træningsprotokol er følgende:(i)kontrollere, at den maksimale worst-case belastning er lavere end den maksimale nominelle belastning divideret med en passende sikkerhedsfaktor (jo højere sikkerhedsfaktor, jo mindre strækning af strimlen i træningsfasen)(ii)anvende den maksimale worst-case belastning i et antal cyklusser, der er sammenhængende med komponentmissionens varighed, ved en realistisk frekvens(iii)holde stangen statisk på det minimale niveau af den cykliske belastning i samme tidsrum som den cykliske træning(iv)måle stangens længde for at tilpasse monteringsopsætningen
4. Konklusioner
Designet af en stang til en letvægtskøretøjsophæng blev vist. Analysen af de mulige konstruktionsløsninger, dvs, en konventionel metalstang med kommercielle sfæriske forbindelser og et kommercielt polymerisk UHMWPE-element, viste, at sidstnævnte kunne give nogle konkurrencemæssige fordele, hvad angår vægt og reducerede dimensioner.
Det blev ikke desto mindre konstateret, at krybe- og ratchetingadfærd i dette tilfælde kunne være et problem på grund af to hovedmekanismer: tilpasningen på molekylært niveau af de lange polyethylenkæder og komprimeringen og tilpasningen i belastningsretningen af strengene i strimlens skud- og kædetråde på mikroskopisk niveau.
Godkendte mekaniske cykliske eksperimentelle forsøg viste, at efter anvendelse af arbejdsbelastningen og den værst tænkelige belastning var stangforlængelsen ved en belastning på 1 kN på henholdsvis 2 og 3,2 mm.
Ved anvendelse af en specifik træningsprotokol blev der opnået en fuld stabilisering af stangen med hensyn til ratling, med en lille forlængelse, som der skal tages hensyn til, i forhold til de ikke-trænede komponenter.
De trænede UHMWPE-stænger blev kvalificeret til ophængning ved hjælp af de nævnte test, både med hensyn til den maksimale belastning og den dimensionelle stabilitet, og de blev faktisk monteret på Cruiser-Class Vehicle “Emilia 4”, der vandt 2018-udgaven af American Solar Challenge.
Tilgængelighed af data
De eksperimentelle data, der er anvendt til at understøtte resultaterne af denne undersøgelse, er tilgængelige fra den tilsvarende forfatter på anmodning.
Interessekonflikter
Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen interessekonflikter.
Akkreditering
Denne forskning blev støttet af Onda Solare Solar Car Association. Endelig skal der rettes en særlig tak til Ana Pavlovic, Giacomo Baschetti og Davide Peghetti for deres personlige bidrag. Denne forskning er blevet finansieret af det italienske ministerium for udenrigsanliggender og internationalt samarbejde (MAECI) gennem fælles forskningsprojekter af særlig relevans, med et projekt ved navn “To sæder til en solcellebil” inden for det udførende program for samarbejde mellem Italien og Serbien på det videnskabelige og teknologiske område.