- Abstract
- 1. Johdanto
- 2. Materiaalit ja menetelmät
- 2.1. Viskoplastinen käyttäytyminen. Ratcheting-arviointi
- 3. Tulokset ja keskustelu
- 3.1. Tulokset ja keskustelu 3.1. Tulokset ja keskustelu Sauvan suunnittelu: Ilmeinen kaupallinen ratkaisu on alumiinitanko, jossa on kaksi palloliitosta, kuten kuvasta 5 nähdään, ja joka on laskettu ISO 12240-4 -standardin mukaisesti luettelosta, joka on saatavilla esimerkiksi osoitteessa . Kun otetaan huomioon edellä mainitut kuormat, päädytään pariin kaupalliseen pallopäähän, jotka valitaan taulukossa 1 esitettyjen tyyppien joukosta ja jotka yhdistetään alumiinipilarilla. Tangon vähimmäispituus () on 78-108 mm ja kokonaispaino 26-52 grammaa plus muutama gramma alumiinipilarin painoa. Kuva 5 Tavanomaisen metallin ratkaisu. Type (mm) (mm) (mm) (mm) l2 (mm) (mm) Dynamiikka kuormitus (kN) Staattinen kuormitus (kN) Paino (g) Terästä pronssilla 18 M6x1 30 13 39 9 4.3 5.3 26 Terästä teräkselle 21 M5x0.8 30 11 42 6 3.4 8.1 13 Teräs metallilla/PTFE 20 M6x1 30 25 54 9 4.3 5.3 21 Teräs PTFE:llä 18 M6x1 36 22 45 45 9 4.3 5.3 19 Taulukko 1 Mahdolliset kaupalliset palloliitokset. Tangon jäykkyyttä hallitsee alumiiniosan yksi, mutta se ei ole ongelma, koska pian se on paljon suurempi kuin jousen yksi. Toisaalta tässä tapauksessa vähimmäispituus määräytyy pään geometrian mukaan ja myös pään halkaisija toiselta puolelta voi olla liian suuri, jotta se mahtuisi lehtijousen sisään, ja toiselta puolelta liitäntätapin halkaisija () rajoittuu 6 mm:iin pään rei’än koon vuoksi. Tämä voi olla ongelma lambdaelementin liitoksessa, koska CFK-levyihin kohdistuu suuria kosketuspaineita. 3.2. Epäkonventionaalinen suunnittelu polymeerielementtien avulla
- 3.3. Ratsauskäyttäytyminen
- 4. Johtopäätökset
- Tietojen saatavuus
- Kiinnostusristiriidat
- Kiitokset
Abstract
Ultra-suurimolekyylipainoinen polyeteeni (UHMWPE) on lämpömuovautuvan polyeteenin alaryhmä, jolle on ominaista erittäin pitkät ketjut ja sen seurauksena erittäin kova ja kestävä materiaali. Huomattavien erityisten mekaanisten ominaisuuksiensa ansiosta sen käyttö laajenee vähitellen useille eri sovellusaloille. Tässä tutkimuksessa kuvataan ehkä ensimmäistä kertaa, miten UHMWPE voi olla käyttökelpoinen materiaaliratkaisu autokäyttöön tarkoitettujen jousitusten suunnittelussa ja optimoinnissa, erityisesti erittäin kevyiden ajoneuvojen, kuten aurinkoautojen, tapauksessa. Erityisesti tässä suunnittelututkimuksessa UHMWPE-sauvoilla voitiin varmistaa tietyt kinemaattiset liikeradat, toiminnot ja kokonaissuorituskyky poikkeuksellisen kevyissä jousitusjärjestelmissä, jotka kehitettiin innovatiivista monipaikkaista aurinkoajoneuvoa varten. Nämä tangot pienensivät painoa 88 prosenttia verrattuna perinteisiin suunnitteluratkaisuihin, joilla oli samankaltaiset toiminnot, ja tarjosivat samalla suurta jäykkyyttä ja tarkkuutta liikkeissä. Kokeellinen kampanja suoritettiin, jotta voitiin arvioida räikkäkäyttäytymistä ja muita mekaanisia ominaisuuksia, joita tarvitaan asianmukaista suunnittelua ja käyttöä varten.
1. Johdanto
Joissain huippuluokan rakennusteknisissä sovelluksissa, kuten aurinkoenergialla toimivien ajoneuvojen suunnittelussa, suunnittelijan on käytettävä materiaaleja, joilla on mahdollisimman suuri ominaisjäykkyys ja ominaislujuus, jotta saavutetaan mahdollisimman pieni paino .
Aurinkoenergia-ajoneuvot ovat innovatiivisia prototyyppejä, jotka on tarkoitettu ajamaan pitkiä kilpailuja ääriolosuhteissa, kuten esimerkiksi aurinkoisilla ja loputtomilla autiomaiden australialaisilla aavikkotieosuuksilla World Solar Challenge -kilpailussa . Painon minimointi mahdollistaa yhdessä muiden teknisten yksityiskohtien ja insinööritemppujen kanssa ajoneuvon energiatehokkuuden parantamisen, joka on avaintekijä menestyksekkäälle aurinkoprototyypille. Jousitusjärjestelmän suunnittelun näkökulmasta ja kaikkien muiden perinteiseen autosuunnitteluun liittyvien näkökohtien lisäksi suunnittelijan on toimittava äärimmäisen huolellisesti kaikenlaisten energiahäviöiden vähentämiseksi.
Näin ollen auton on kuljettava vakaasti tien epätasaisuuksissa, tärinän on oltava mahdollisimman vähäistä ja nopeuden- ja suunnanmuutosten aiheuttamaa inertiaa on rajoitettava. Käytännössä se tarkoittaa, että suunnittelun on oltava suoraan jäykkiä, kevyitä ja tarkkoja jousituksia. Mahdollisuus saavuttaa nämä tulokset liittyy myös materiaalivalintaan.
Tunnettujen Ashby-taulukoiden perusteella voidaan päätellä, että valinta olisi rajoitettava hiilikuituvahvisteisiin (CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic), kun kyseessä on taivutuskuormitus tai energian absorptio, ja laminaatteihin muissa tapauksissa, ja metallia voidaan käyttää silloin, kun muut olosuhteet saattavat edellyttää, että komposiitteja ei kannata käyttää (esimerkiksi korkeat kosketussuhdejännitykset, poikittaiskuormitus ja altistuminen altistumiselle altistumiselle). Erikoistapauksissa, joissa on geometrisia tai toiminnallisia rajoitteita, kuten jousitusjärjestelmässä, suunnittelija voi ottaa huomioon muuntyyppisiä materiaaleja, kuten korkean suorituskyvyn polymeerejä.
Tutkimukset, jotka esitellään tässä, olivat alustavia, kun suunniteltiin täydellistä CFK-jousitusta aurinkoajoneuvoon nimeltä Emilia 4, joka on monimatkustajapaikalle tarkoitettu aurinkoauto, jonka Bolognan yliopisto suunnitteli ja kehitti yhteistyössä Onda Solare -aurinkoautoyhdistyksen (Solar Car Association) kanssa. Ajoneuvo kuuluu World Solar Challenge -kilpailun sääntöjen mukaiseen Cruiser-luokkaan, ja se on nelipaikkainen kilpailuprototyyppi. Automalli esiteltiin kesäkuussa 2018, ja se voitti American Solar Challenge -kilpailun heinäkuussa 2018. Tässä kilpailussa ajoneuvo ajoi 2700 km yksinomaan aurinkoenergialla, mikä osoittaa pätevän kompromissin eri suunnitteluvaihtoehtojen välillä. Niistä erityistä huomiota kiinnitettiin tehokkaiden suunnitteluratkaisujen etsimiseen jousitusjärjestelmiä varten. Ajoneuvon yleismuoto on esitetty kuvassa 1, jossa jousitusjärjestelmien sijainti näkyy läpinäkyvänä.
Lisätietoa ajoneuvon rungon muotoilun suunnitteluprosessista löytyy osoitteesta . Koko ajoneuvon runko valmistettiin autoklaavilla CFRP/polymeerinen hunajakennosandwich, kun taas kaikki muut mekaaniset komponentit koostuvat CFRP-laminaateista.
Erottuessaan useimmista insinöörisovelluksista kilpailevien ajoneuvojen tapauksessa suunnittelun pääsuunnat määräytyvät sen kilpailun sääntöjen mukaan, johon ne on tarkoitettu (esim. ). Nämä vaatimukset koskevat erityisesti sellaisia näkökohtia kuin kokonaismitat, turvallisuus, näkyvyys, ajettavuus sekä aurinkopaneelien ja akkujen ominaisuudet. Kaikki nämä tekniset rajoitukset yhdistettynä yleiseen suunnittelutavoitteeseen vähentää energiankulutusta johtivat mekaanisten ja rakenteellisten näkökohtien osalta aerodynamiikan optimointiin ja auton kokonaispainoon, joka oli alle 330 kg. Kun tähän lisätään 320 kg, joka on neljän matkustajan vakiopaino, neljään jousitukseen kohdistuva kokonaiskuorma oli 650 kg.
Jousitusjärjestelmä on tapauksessamme ajoneuvon ainoa liikkuva osa, koska sähkömoottorit sijaitsevat takapyörien sisällä, joten voimansiirtoakseleita tai tasauspyörästöä ei tarvita.
Yleisesti ottaen auton jousitus on vipujen ja elastisesti muodonmuutoskelpoisten elementtien muodostama kokonaisuus, jonka tehtävänä on pitämällä jousittamattomat massat jousitettujen massojen kanssa jousitettuna pitää kori jousitettuna toteuttaa muuttuvien voimien – pyöriin kohdistuvien pysyvien voimien – ennalta määrätty jakauma sekä veto- ja kaarreajossa että jarrutuksessa ja vähentää ajoneuvon kulkiessa tien epätasaisuuksilla välittyviä iskuja. Jousitus käsittää siis kaikki ne osat, jotka yhdistävät pyörät runkoon. Yleensä se koostuu kolmesta pääosasta: rakenteellisesta osasta, kimmoisasta osasta ja vaimennusosasta (joka ei tapaustutkimuksessamme ole keskittynyt yhteen elementtiin). Rakenneosa on joukko vipuja, joiden tarkoituksena on ohjata jousitusta ja siten pyörän liikettä suhteessa runkoon.
Kuvassa 2 on esitetty erityisesti etujousitusta varten valittu rakenne, johon tässä työssä keskitytään. Se koostuu pitkittäisvarsijousituksesta, joka soveltuu pitkille suorille teille, kuten yli 3000 kilometrin kilpailuissa, ja poikittaisesta lehtijousesta, jolla on myös jarrutusta estävä tehtävä, koska se on liitetty molempiin etupyöriin.
Tämän tangon on oltava hyvin pieni, jotta se mahtuu jousitusjärjestelmään, mutta ennen kaikkea sen päissä on oltava pallonivelet, koska lambda-elementin kinematiikka saa tangon yläpään liikkumaan ympyrällä sagittaalitasossa, kun taas alapää liikkuu poikittaistasossa lehtijousen muodonmuutoksen aikana.
Tämän jälkeen tutkittiin ja vertailtiin erilaisia mahdollisuuksia, mukaan lukien erittäin suuren molekyylipainon omaavien polyeteeniliuskojen (kauppanimi Dyneema tai Spectra) käyttö.
UHMWPE-kuitujen mekaaniset ominaisuudet huoneenlämmössä ovat suunnittelijan kannalta varsin mielenkiintoisia verrattuna metalli- tai komposiittipohjaisiin ratkaisuihin, ja näiden polymeerikaistaleiden käyttö voi johtaa paljon kevyempään ja kompaktimpaan komponenttiin.
Tyypillisen Dyneema-langan, jonka tiheys on 975 kg/m3 , kimmomoduuli on 110 GPa ja vetolujuus 3400 MPa .
Nykyään näitä materiaaleja käytetään monissa urheilusovelluksissa, joissa vaaditaan keveyttä ja lujuutta, kuten aurinkopurjeissa, riippuliinoissa riippuliitimissä riippuliitimissä varjoliitimissä tai laskuvarjoissa ja takiloissa, joita käytetään purjehduskilpailuissa. Niitä käytetään myös jousiammunnassa tai urheilukalastuksen siimana monofilamenttina. Lisäksi niitä käytetään kiipeilyssä, myös niiden kulutuskestävyyden vuoksi. Teollisissa sovelluksissa UHMWPE-kuituja käytetään köysi- ja narutuotteissa, joita käytetään offshore-öljy- ja -kaasuteollisuudessa sekä teollisessa meriteollisuudessa. Lisäksi niiden kulutuskestävyys ja kemiallinen kestävyys tekevät näistä köysistä houkuttelevia vaihtoehtoja metallilangoille ja -kaapeleille korroosiota aiheuttavissa ympäristöissä.
UHMWPE-kuituja käytetään myös komponenttina korkean suorituskyvyn purjeissa, usein yhdistettynä virumista kestävään kuituun, kuten hiileen tai kevlariin. Virumisongelmaa eli taipumusta lisääntyvään muodonmuutokseen ajan kuluessa staattisen kuorman läsnä ollessa pohdittiin ensimmäisen kerran biomekaanisissa sovelluksissa.
Yleisesti on käytettävä lisäsuunnittelumenettelyjä virumis- ja ryömintäkestävyyden takaamiseksi.
Ryömintäkestävyydellä tarkoitetaan plastisen muodonmuutoksen asteittaista kasaantumista materiaaleissa, jotka altistuvat jännityskontrolloidulle sykliselle kuormitukselle, jossa keskijännitys on muu kuin nolla. Tämä kertyminen etenee syklien lukumäärän kasvaessa ja johtaa mahdollisesti vikaantumiseen.
Lämpömuovisten kuitujen tai nauhojen karakterisoinnista vetoväsymiskuormituksessa on löydettävissä hyvin rajallinen määrä viitteitä.
Joitakin tutkimuksia on saatavilla irtotavarana olevan UHMWPE:n raksiaalisesta käyttäytymisestä yksiakselisessa tai kaksiakselisessa kuormituksessa ottaen huomioon myös lisäaineiden vaikutuksen erityisesti biomekaanisissa sovelluksissa, mutta kirjoittajien tietojen mukaan tieteellisessä kirjallisuudessa ei ole tutkimuksia UHMWPE-kuitujen, -lankojen tai -nauhojen raksiaalisesta käyttäytymisestä.
2. Materiaalit ja menetelmät
Tässä luvussa esitetään yksityiskohtaisesti vaatimukset mahdollisille suunnitteluratkaisuille, myös UHMWPE-nauhoille. Tämän materiaalin osalta esitetään räikkäominaisuudet ja ehdotetaan menettelyä, joka mahdollistaa sen käytön jousitusjärjestelmässä.
Tangon on kestettävä staattinen aksiaalikuorma, joka on yhtä suuri kuin matkustajien ja auton painon kiintiö, joka kohdistuu tiettyyn akseliin. Lisäksi siihen kohdistuu dynaamisia kuormituksia, jotka johtuvat tavanomaisesta pystysuuntaisesta värähtelystä, jota esiintyy ajoneuvon liikkeen aikana, ja lopuksi iskuista, jotka johtuvat esteisiin törmäämisestä.
Etujousituksen osalta, jossa tangot sijaitsevat, on arvioitu, että staattinen kuormitus yksittäistä pyörää kohti on 0,5 kN, kun ajoneuvo on kuormittamaton, ja 1 kN, kun ajoneuvossa on neljä matkustajaa. Dynaamisen kuormituksen katsotaan olevan moninkertainen staattiseen kuormitukseen nähden, ja se on enintään 2 kN normaalissa ajossa (työkuorma) ja enintään 5 kN iskun sattuessa (pahin mahdollinen kuormitus). Kaikki nämä voimat kuormittavat sauvoja yksinomaan vedossa.
Pyörän negatiivisen ja positiivisen iskun määrityksiä käytettiin lehtijousen suunnittelussa, eikä niillä ole merkitystä sauvan valinnan kannalta edellyttäen, että se on huomattavasti lehtijousia jäykempi.
Kuvassa 3 on esitetty jousituksen kinematiikka kahden ääriasennon avulla sivuttais- ja etukuvassa.
Yksi yleiseksi vaatimukseksi tälle elementille on kaupallinen ja mahdollisesti sertifioitu tiettyyn kuormitukseen. Tämä sulki pois mahdollisuuden käyttää puristetusta teräslangasta valmistettua elementtiä, joka olisi ollut erittäin tehokas, mutta niitä ei ole saatavilla näin suurille kuormille pienissä mitoissa (alle 150 mm, kaikki mukaan lukien).
Metalliratkaisusta poiketen polymeerikomponenttia on arvioitava ajasta riippuvan viskoplastisen käyttäytymisen osalta, jota kuvataan seuraavassa kohdassa.
2.1. Viskoplastinen käyttäytyminen. Ratcheting-arviointi
Heti kun tyhjän ajoneuvon paino etujousituksessa edustaa hyvin pientä osaa murtokuormasta, koska aurinkoajoneuvon ensimmäinen kisa oli lähellä, päätettiin ohittaa aikaa vievä virumiskokeiden kampanja ja komponentit testattiin suoraan ratcheting-olosuhteissa.
Kuormitusohjattu syklinen koe suoritettiin servohydraulisella Instron 8033-laitteistolla, joka oli varustettu 25 kN:n kuormansiirtimellä. Taajuus oli 0,5 Hz ja kuormitussuhde vaihteleva, mutta minimikuormitus pidettiin aina 1 kN:n suuruisena (vastaa ajoneuvon ja matkustajien painokiintiötä yhdellä etupyörällä). Kuvassa 4 on nähtävissä koekappaleen kuormitusjärjestelmä.
Kullekin kolmelle näytteelle suoritettiin kolmenlaisia testejä, joissa kaikissa käytettiin sinimuotoista syklistä kuormitusta:(i)Porraskoe murtumiseen asti, jossa minimikuormitus pidettiin vakiona 1 KN:ssä ja maksimikuormitusta nostettiin 2 kN:iin 10 syklin välein(ii)Syklinen koe 1 ja 2 kN:n välillä 10 000 sykliä 0:n syklillä.5 Hz:n taajuudella, joka on normaali ajotilanne kilpailun aikana(iii)Syklinen testi 1 ja 5 kN:n välillä 10000 syklin ajan 0,5 Hz:n taajuudella, joka on pahin mahdollinen tilanne, johon joudutaan törmäämään hyvin rajoitetusti (10-20 kertaa) kilpailun aikana. Tämän jälkeen 7 päivän lepojakso 1 kN:n vakiokuormalla. Tämän jälkeen samalle sauvalle suoritetaan syklinen testi 1 ja 2 kN:n välillä 10000 syklin ajan 0,5 Hz:n taajuudella
3. Tulokset ja keskustelu
3.1. Tulokset ja keskustelu
3.1. Tulokset ja keskustelu Sauvan suunnittelu: Ilmeinen kaupallinen ratkaisu on alumiinitanko, jossa on kaksi palloliitosta, kuten kuvasta 5 nähdään, ja joka on laskettu ISO 12240-4 -standardin mukaisesti luettelosta, joka on saatavilla esimerkiksi osoitteessa . Kun otetaan huomioon edellä mainitut kuormat, päädytään pariin kaupalliseen pallopäähän, jotka valitaan taulukossa 1 esitettyjen tyyppien joukosta ja jotka yhdistetään alumiinipilarilla. Tangon vähimmäispituus () on 78-108 mm ja kokonaispaino 26-52 grammaa plus muutama gramma alumiinipilarin painoa.
Kuva 5
Tavanomaisen metallin ratkaisu.
Type
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
l2 (mm)
(mm)
Dynamiikka kuormitus (kN)
Staattinen kuormitus (kN)
Paino (g)
Terästä pronssilla
18
M6x1
30
13
39
9
4.3
5.3
26
Terästä teräkselle
21
M5x0.8
30
11
42
6
3.4
8.1
13
Teräs metallilla/PTFE
20
M6x1
30
25
54
9
4.3
5.3
21
Teräs PTFE:llä
18
M6x1
36
22
45
45
9
4.3
5.3
19
Taulukko 1
Mahdolliset kaupalliset palloliitokset.
Tangon jäykkyyttä hallitsee alumiiniosan yksi, mutta se ei ole ongelma, koska pian se on paljon suurempi kuin jousen yksi.
Toisaalta tässä tapauksessa vähimmäispituus määräytyy pään geometrian mukaan ja myös pään halkaisija toiselta puolelta voi olla liian suuri, jotta se mahtuisi lehtijousen sisään, ja toiselta puolelta liitäntätapin halkaisija () rajoittuu 6 mm:iin pään rei’än koon vuoksi. Tämä voi olla ongelma lambdaelementin liitoksessa, koska CFK-levyihin kohdistuu suuria kosketuspaineita.
3.2. Epäkonventionaalinen suunnittelu polymeerielementtien avulla
Tämän jälkeen tutkittiin mahdollisuutta käyttää kaupallista polymeerielementtiä. Testattiin Kevlar-köysiä, joiden halkaisija oli 12 mm ja nimelliskestävyys 20 kN, mutta puristamiseen liittyi samoja ongelmia kuin metallilankojen tapauksessa, ja solmujen tekeminen johti nimelliskestävyyden jyrkkään (ja vaikeasti ennakoitavissa olevaan) alenemiseen , mikä poisti tällä tavoin kaupallisen elementin edun. Kuvassa 6 esitetään erityyppisten solmujen vaikutus köyden kvasistaattiseen käyttäytymiseen. Voidaan nähdä, että solmun kiristyminen aiheuttaa valtavia siirtymiä hyvin vähäisellä kuormituksella. Missään tapauksessa murtolujuus ei ole lähellä nimellislujuutta eikä myöskään kokonaisjäykkyys ole sovellukseen sopiva.
Kuva 6
Mekaaninen käyttäytyminen Kevlar-köydellä, jossa on erityyppisiä solmuja.
Viimeiseksi mahdolliseksi ratkaisuksi tunnistettiin vuorikiipeilyssä käytettävä Dyneema-ompeleen nauha, joka on mitoitettu CE-sertifiointimerkinnällä 22 kN:lle ja joka on esitetty kuvassa 7.
Kuva 7
22 kN:n mitoituksella varustettu kaupallinen Dyneema-ommeltu nauha.
Vähimmäispituus on 100 mm, paino 6 grammaa, leveys 10 mm ja pään halkaisija on yhtä suuri kuin tapin halkaisija plus kaksi kertaa nauhan paksuus eli 2 mm. Nämä nauhat voidaan liittää lehtijousiin ja lambda-yläelementtiin 12 mm:n tappien avulla, jolloin komposiittiin kohdistuva kosketuspaine on melko pieni.
3.3. Ratsauskäyttäytyminen
Kuvassa 8 on esitetty tyypillinen askeltestin tulos. Ensimmäisissä sykleissä on havaittavissa raksuttava käyttäytyminen, joka vastaa pienempiä kuormituksia. Murtokuormitus on suurempi kuin sertifioitu kuormitus ja vastaa 14 mm:n siirtymää.
Kuva 8
Step-testin tulokset.
Kuvassa 9 on esitetty suurin siirtymä punaisella ja pienin siirtymä sinisellä, jotka vastaavat suurinta (5 kN) ja pienintä (1 kN) kuormitusta syklin sisällä.
Kuva 9
Ratcheting-testin tulokset 1-5 kN.
Voidaan osoittaa, että ensimmäisten syklien jyrkän nousun jälkeen ratcheting-vaikutus pyrkii hidastumaan.
Kuvassa 10 on esitetty kolmen testin tyypilliset tulokset (huomaa, että tässä tapauksessa syklien määrä on logaritmisella asteikolla). On mahdollista arvostaa aikaisemman 1-5 kN:n kuormituksen vakauttavaa vaikutusta 1-2 kN:n kuormitetuissa näytteissä. Esikuormitetut nauhat alkavat siis 2,6 mm suuremmasta pituudesta kuin kaupalliset nauhat, mutta käyttökuormituksesta (1-2 kN) johtuva raksuttava käyttäytyminen vähenee huomattavasti. Tämä voidaan selittää kahdella erilaisella ilmiöllä, joita esiintyy kuormituksen aikana 1 ja 5 kN:n välillä kahdessa eri mitta-asteikossa. Molekyylitasolla yksittäisen säikeen pitkät polyeteeniketjut kohdistuvat kuormituksen suuntaan. Kun taas mikroskooppisella tasolla kaistaleen kudelangan ja loimen säikeet tiivistyvät ja kohdistuvat kuormitussuuntaan, kuten näkyy kuvan 11 pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvissa, joissa verrataan neitseellisiä ja harjoittelemattomia kaistaleita.
>
Kuvio 10.
Ruostumuskokeen tulokset eri kuormitussarjatilanteilla.
(a)
(b)
>
(a)
(b)
Kuva 11
Pyyhkäisevän elektronimikroskoopin kuvat: (a) neitseellinen koekappale, (b) koekappale 1-5 kN:n testin jälkeen.
Tulokset osoittavat, että UHMWPE-sauvaa on mahdollista käyttää varovaisuutta noudattaen harjoittelemalla se ennen asennusta nimelliskuormitusta suuremmalla kuormituksella, jotta jousitus rekisteröidään oikealla alkupituudella.
Ehdotettu harjoitteluprotokolla on seuraava:(i)tarkistetaan, että pahimman mahdollisen kuorman maksimikuorma on pienempi kuin suurin nimelliskuorma jaettuna sopivalla varmuuskertoimella (mitä suurempi varmuuskerroin, sitä vähemmän liuska venyy harjoitteluvaiheessa)(ii)sovelletaan pahimman mahdollisen kuorman maksimikuormitusta komponentin tehtävän kestoa vastaavan määrän syklejä realistisella taajuudella(iii)pidetään sauva staattisesti syklisen kuorman vähimmäistasolla syklisen harjoittelun ajan(iv)mitataan sauvan pituus, jotta voidaan mukauttaa kiinnitysasennusta
4. Johtopäätökset
Kevytrakenteisen ajoneuvon jousituksen sauvan suunnittelu osoitettiin. Analysoitiin mahdollisia suunnitteluratkaisuja, ts, perinteinen metallitanko, jossa on kaupalliset palloliitokset, ja kaupallinen polymeerinen UHMWPE-elementti, osoitti, että jälkimmäinen pystyi tarjoamaan joitakin kilpailuetuja painon ja pienempien mittojen osalta.
Havaittiin kuitenkin, että tässä tapauksessa viruma- ja räikkäkäyttäytyminen saattoi olla ongelma, joka johtui kahdesta tärkeimmästä mekanismista: pitkien polyeteeniketjujen suuntautumisesta molekyylitasolla ja kaistaleen kudelangan ja loimen säikeiden tiivistymisestä ja suuntautumisesta kuormituksen suuntaan mikroskooppisella tasolla.
Sopivat mekaaniset sykliset kokeelliset testit osoittivat, että työ- ja pahimman kuormituksen jälkeen sauvan venymä 1 kN:n kuormituksella oli 2 mm ja 3,2 mm.
Soveltamalla erityistä harjoitteluprotokollaa saatiin aikaan sauvan täysi stabiloituminen raksutuksen suhteen, ja sauvassa oli pieni venymä, joka on otettava huomioon harjoittelemattomiin komponentteihin nähden.
Koulutetut UHMWPE-sauvat kelpuutettiin jousitukseen mainituilla testeillä sekä maksimikuorman että mittapysyvyyden osalta, ja ne asennettiin itse asiassa Cruiser-luokan ajoneuvoon “Emilia 4”, joka voitti vuoden 2018 painoksen amerikkalaisesta Solar Challenge -kilpailusta.
Tietojen saatavuus
Tämän tutkimuksen tulosten tukena käytetyt kokeelliset tiedot ovat pyynnöstä saatavissa vastaavalta kirjoittajalta.
Kiinnostusristiriidat
Tekijät ilmoittavat, että heillä ei ole eturistiriitoja.
Kiitokset
Tämän tutkimuksen toteutusta on tukenut Onda Solare Solar Car Association. Lopuksi erityiskiitokset Ana Pavlovicille, Giacomo Baschettille ja Davide Peghetille heidän henkilökohtaisesta panoksestaan. Tätä tutkimusta on rahoittanut Italian ulkoasiain- ja kansainvälisen yhteistyön ministeriö (MAECI) erityisen tärkeiden yhteisten tutkimushankkeiden kautta Italian ja Serbian tiede- ja teknologiayhteistyön toimeenpano-ohjelmaan kuuluvalla hankkeella nimeltä “Two Seats for a Solar Car”.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Tangon jäykkyyttä hallitsee alumiiniosan yksi, mutta se ei ole ongelma, koska pian se on paljon suurempi kuin jousen yksi.
Toisaalta tässä tapauksessa vähimmäispituus määräytyy pään geometrian mukaan ja myös pään halkaisija toiselta puolelta voi olla liian suuri, jotta se mahtuisi lehtijousen sisään, ja toiselta puolelta liitäntätapin halkaisija () rajoittuu 6 mm:iin pään rei’än koon vuoksi. Tämä voi olla ongelma lambdaelementin liitoksessa, koska CFK-levyihin kohdistuu suuria kosketuspaineita.
3.2. Epäkonventionaalinen suunnittelu polymeerielementtien avulla
Tämän jälkeen tutkittiin mahdollisuutta käyttää kaupallista polymeerielementtiä. Testattiin Kevlar-köysiä, joiden halkaisija oli 12 mm ja nimelliskestävyys 20 kN, mutta puristamiseen liittyi samoja ongelmia kuin metallilankojen tapauksessa, ja solmujen tekeminen johti nimelliskestävyyden jyrkkään (ja vaikeasti ennakoitavissa olevaan) alenemiseen , mikä poisti tällä tavoin kaupallisen elementin edun. Kuvassa 6 esitetään erityyppisten solmujen vaikutus köyden kvasistaattiseen käyttäytymiseen. Voidaan nähdä, että solmun kiristyminen aiheuttaa valtavia siirtymiä hyvin vähäisellä kuormituksella. Missään tapauksessa murtolujuus ei ole lähellä nimellislujuutta eikä myöskään kokonaisjäykkyys ole sovellukseen sopiva.
Viimeiseksi mahdolliseksi ratkaisuksi tunnistettiin vuorikiipeilyssä käytettävä Dyneema-ompeleen nauha, joka on mitoitettu CE-sertifiointimerkinnällä 22 kN:lle ja joka on esitetty kuvassa 7.
Vähimmäispituus on 100 mm, paino 6 grammaa, leveys 10 mm ja pään halkaisija on yhtä suuri kuin tapin halkaisija plus kaksi kertaa nauhan paksuus eli 2 mm. Nämä nauhat voidaan liittää lehtijousiin ja lambda-yläelementtiin 12 mm:n tappien avulla, jolloin komposiittiin kohdistuva kosketuspaine on melko pieni.
3.3. Ratsauskäyttäytyminen
Kuvassa 8 on esitetty tyypillinen askeltestin tulos. Ensimmäisissä sykleissä on havaittavissa raksuttava käyttäytyminen, joka vastaa pienempiä kuormituksia. Murtokuormitus on suurempi kuin sertifioitu kuormitus ja vastaa 14 mm:n siirtymää.
Kuvassa 9 on esitetty suurin siirtymä punaisella ja pienin siirtymä sinisellä, jotka vastaavat suurinta (5 kN) ja pienintä (1 kN) kuormitusta syklin sisällä.
Voidaan osoittaa, että ensimmäisten syklien jyrkän nousun jälkeen ratcheting-vaikutus pyrkii hidastumaan.
Kuvassa 10 on esitetty kolmen testin tyypilliset tulokset (huomaa, että tässä tapauksessa syklien määrä on logaritmisella asteikolla). On mahdollista arvostaa aikaisemman 1-5 kN:n kuormituksen vakauttavaa vaikutusta 1-2 kN:n kuormitetuissa näytteissä. Esikuormitetut nauhat alkavat siis 2,6 mm suuremmasta pituudesta kuin kaupalliset nauhat, mutta käyttökuormituksesta (1-2 kN) johtuva raksuttava käyttäytyminen vähenee huomattavasti. Tämä voidaan selittää kahdella erilaisella ilmiöllä, joita esiintyy kuormituksen aikana 1 ja 5 kN:n välillä kahdessa eri mitta-asteikossa. Molekyylitasolla yksittäisen säikeen pitkät polyeteeniketjut kohdistuvat kuormituksen suuntaan. Kun taas mikroskooppisella tasolla kaistaleen kudelangan ja loimen säikeet tiivistyvät ja kohdistuvat kuormitussuuntaan, kuten näkyy kuvan 11 pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvissa, joissa verrataan neitseellisiä ja harjoittelemattomia kaistaleita.
> (a)
(b)
(a)
(b)
Tulokset osoittavat, että UHMWPE-sauvaa on mahdollista käyttää varovaisuutta noudattaen harjoittelemalla se ennen asennusta nimelliskuormitusta suuremmalla kuormituksella, jotta jousitus rekisteröidään oikealla alkupituudella.
Ehdotettu harjoitteluprotokolla on seuraava:(i)tarkistetaan, että pahimman mahdollisen kuorman maksimikuorma on pienempi kuin suurin nimelliskuorma jaettuna sopivalla varmuuskertoimella (mitä suurempi varmuuskerroin, sitä vähemmän liuska venyy harjoitteluvaiheessa)(ii)sovelletaan pahimman mahdollisen kuorman maksimikuormitusta komponentin tehtävän kestoa vastaavan määrän syklejä realistisella taajuudella(iii)pidetään sauva staattisesti syklisen kuorman vähimmäistasolla syklisen harjoittelun ajan(iv)mitataan sauvan pituus, jotta voidaan mukauttaa kiinnitysasennusta
4. Johtopäätökset
Kevytrakenteisen ajoneuvon jousituksen sauvan suunnittelu osoitettiin. Analysoitiin mahdollisia suunnitteluratkaisuja, ts, perinteinen metallitanko, jossa on kaupalliset palloliitokset, ja kaupallinen polymeerinen UHMWPE-elementti, osoitti, että jälkimmäinen pystyi tarjoamaan joitakin kilpailuetuja painon ja pienempien mittojen osalta.
Havaittiin kuitenkin, että tässä tapauksessa viruma- ja räikkäkäyttäytyminen saattoi olla ongelma, joka johtui kahdesta tärkeimmästä mekanismista: pitkien polyeteeniketjujen suuntautumisesta molekyylitasolla ja kaistaleen kudelangan ja loimen säikeiden tiivistymisestä ja suuntautumisesta kuormituksen suuntaan mikroskooppisella tasolla.
Sopivat mekaaniset sykliset kokeelliset testit osoittivat, että työ- ja pahimman kuormituksen jälkeen sauvan venymä 1 kN:n kuormituksella oli 2 mm ja 3,2 mm.
Soveltamalla erityistä harjoitteluprotokollaa saatiin aikaan sauvan täysi stabiloituminen raksutuksen suhteen, ja sauvassa oli pieni venymä, joka on otettava huomioon harjoittelemattomiin komponentteihin nähden.
Koulutetut UHMWPE-sauvat kelpuutettiin jousitukseen mainituilla testeillä sekä maksimikuorman että mittapysyvyyden osalta, ja ne asennettiin itse asiassa Cruiser-luokan ajoneuvoon “Emilia 4”, joka voitti vuoden 2018 painoksen amerikkalaisesta Solar Challenge -kilpailusta.
Tietojen saatavuus
Tämän tutkimuksen tulosten tukena käytetyt kokeelliset tiedot ovat pyynnöstä saatavissa vastaavalta kirjoittajalta.
Kiinnostusristiriidat
Tekijät ilmoittavat, että heillä ei ole eturistiriitoja.
Kiitokset
Tämän tutkimuksen toteutusta on tukenut Onda Solare Solar Car Association. Lopuksi erityiskiitokset Ana Pavlovicille, Giacomo Baschettille ja Davide Peghetille heidän henkilökohtaisesta panoksestaan. Tätä tutkimusta on rahoittanut Italian ulkoasiain- ja kansainvälisen yhteistyön ministeriö (MAECI) erityisen tärkeiden yhteisten tutkimushankkeiden kautta Italian ja Serbian tiede- ja teknologiayhteistyön toimeenpano-ohjelmaan kuuluvalla hankkeella nimeltä “Two Seats for a Solar Car”.