- Abstract
- 1. Bevezetés
- 2. Anyagok és módszerek
- 2.1. Az időfüggő viszkoplasztikus viselkedés. Ratcheting-értékelés
- 3. Eredmények és megbeszélés
- 3.1. Eredmények és megbeszélés 3.1. Ciklikus vizsgálat. A rúd kialakítása: Hagyományos kialakítás alumínium rúddal és gömb alakú csatlakozásokkal
- 3.2. A CFRP rétegekre ható nagy érintkezési nyomások. Rendhagyó kialakítás polimer elemekkel
- 3.3. A csíkok a laprugóhoz és a lambda felső elemhez csatlakoztathatók. Ratcheting viselkedés
- 4. Következtetések
- Adatok elérhetősége
- Érdekütközések
- A köszönetnyilvánítás
Abstract
Az ultra-nagy molekulasúlyú polietilén (UHMWPE) a termoplasztikus polietilén egy alcsoportja, amelyet rendkívül hosszú láncok jellemeznek, és ennek eredményeként nagyon kemény és ellenálló anyag. Figyelemre méltó sajátos mechanikai tulajdonságai miatt felhasználása fokozatosan több alkalmazási területre is kiterjed. Ez a tanulmány írja le – talán először -, hogy az UHMWPE hogyan jelenthet érvényes anyagmegoldást az autóipari felhasználásra szánt felfüggesztések tervezésében és optimalizálásában, különösen a rendkívül könnyű járművek, például a napelemes autók esetében. Különösen ebben a tervezési tanulmányban az UHMWPE rudak lehetővé tették egy innovatív, többszemélyes napelemes járműhöz kifejlesztett, rendkívül könnyű felfüggesztési rendszerben meghatározott kinematikai pályák, funkciók és általános teljesítmény biztosítását. Ezek a rudak 88%-kal csökkentették a súlyt a hasonló funkciójú klasszikus tervezési megoldásokhoz képest, ugyanakkor nagy merevséget és pontosságot biztosítottak a mozgásokban. Kísérleti kampányt végeztek a racsnis viselkedés és a megfelelő tervezéshez és használathoz szükséges egyéb mechanikai tulajdonságok értékelésére.
1. Bevezetés
Egyes élvonalbeli szerkezetépítési alkalmazásokban, mint például a napenergiával működő járművek tervezése, a tervezőnek a lehető legnagyobb fajlagos merevséggel és fajlagos szilárdsággal rendelkező anyagokat kell használnia a minimális tömeg elérése érdekében .
A napelemes járművek innovatív prototípusok, amelyeket hosszú versenyekre szánnak szélsőséges körülmények között, mint például a World Solar Challenge napsütéses és végtelen sivatagi ausztrál útjain . A tömeg minimalizálása más technikai részletekkel és mérnöki trükkökkel együtt lehetővé teszi a jármű energiahatékonyságának javítását, ami egy sikeres napelemes prototípus kulcsfontosságú tényezője. Az erre az alkalmazásra szánt felfüggesztési rendszer tervezése szempontjából és a hagyományos gépjárműtervezéshez tartozó minden más megfontolástól eltekintve a tervezőnek rendkívüli gondossággal kell eljárnia, hogy csökkentse az energiaveszteség minden fajtáját.
Ezért az autónak stabilan kell futnia az út egyenetlenségén, a rezgéseknek minimálisnak kell lenniük, és a sebesség- és irányváltozásokkal kapcsolatos tehetetlenséget korlátozni kell. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a tervezésnek közvetlenül a merev, könnyű és precíz felfüggesztésekre kell irányulnia. Ezen eredmények elérésének lehetősége az anyagválasztással is összefügg.
A jól ismert Ashby-diagramok figyelembevételével arra a következtetésre jutunk, hogy a választásnak a szénszál-erősítésű műanyag (CFRP) szendvicsekre kell korlátozódnia hajlító terhelés jelenlétében vagy energiaelnyelés céljából, a többi esetben pedig laminátokra, a fémek használatának lehetőségével, ahol más körülmények azt sugallják, hogy ne kompozitokat használjunk (pl. nagy érintkezési feszültségek, keresztirányú terhelés és kitettség). Nagyon speciális esetekben, ahol geometriai vagy funkcionális korlátok vannak jelen, mint például a felfüggesztési rendszerben, másfajta anyagokat, például nagy teljesítményű polimereket is figyelembe vehet a tervező.
A bemutatott tanulmányok a Bolognai Egyetem által az Onda Solare Solar Car Association-nel együttműködésben tervezett és kifejlesztett Emilia 4 nevű, többszemélyes napelemes jármű teljes CFRP felfüggesztésének tervezését előzték meg. Ez a jármű a World Solar Challenge szabályzata szerint a Cruiser osztályba tartozik, és egy négyüléses versenyprototípus. Az autómodellt 2018 júniusában mutatták be, és 2018 júliusában megnyerte az amerikai Solar Challenge versenyt. Ezen a versenyen a jármű 2700 km-t futott kizárólag napenergiával, ami a különböző tervezési döntések közötti érvényes kompromisszumot mutatja. Ezek között kiemelt figyelmet fordítottak a felfüggesztési rendszerek hatékony tervezési megoldásainak keresésére. A jármű általános formája az 1. ábrán látható, ahol a felfüggesztési rendszerek elhelyezkedése átlátszóan látható.
A jármű alvázának tervezési folyamata további részletekért a . A teljes jármű karosszériája autokláv CFRP/polimer méhsejtes szendvicsből készült, míg az összes többi mechanikai alkatrész CFRP-laminátumokból áll.
A legtöbb mérnöki alkalmazástól eltérően a versenyjárművek esetében a fő tervezési irányokat annak a versenynek a szabályai diktálják, amelyre azokat szánják (pl. ). Ezek a követelmények különösen olyan szempontokat vesznek figyelembe, mint az összméretek, a biztonság, a láthatóság, a vezethetőség, valamint a napelemek és az akkumulátorok jellemzői. Mindezek a műszaki korlátozások, valamint az energiafogyasztás csökkentésének általános tervezési célja a mechanikai és szerkezeti szempontok tekintetében az aerodinamikai optimalizáláshoz és az autó 330 kg-nál kisebb össztömegéhez vezettek. Hozzáadva 320 kg-ot, ami négy utas szabványos súlya , a négy felfüggesztés teljes terhelése 650 kg volt.
A felfüggesztési rendszer esetünkben a jármű egyetlen mozgó része, mivel a villanymotorok a hátsó kerekekben helyezkednek el, így nincs szükség erőátviteli tengelyekre vagy differenciálműre.
A személygépkocsi felfüggesztése általánosságban a karok és rugalmasan deformálható elemek összessége, amely a rugózatlan tömegek felfüggesztett tömegekkel való összenyomásával a karosszéria felfüggesztésben tartását szolgálja a változó erők – a kerekekre ható, mind a vontatás, mind a kanyarodás és a fékezés során fellépő erők – előre meghatározott eloszlásának megvalósítása, valamint a járműnek az út aszfaltján való áthaladását követően átvitt lökések csökkentése. A felfüggesztés tehát magában foglalja mindazokat az alkatrészeket, amelyek a kerekeket a vázhoz kapcsolják. Általában három fő részből áll: egy szerkezeti részből, egy rugalmas részből és egy csillapító részből (amely a mi esettanulmányunkban nem egyetlen elemben összpontosul). A szerkezeti rész egy karok összessége, amelynek célja a felfüggesztés és következésképpen a kerék vezetése a vázhoz viszonyított mozgásában.
Különösen a jelen dolgozat középpontjában álló első felfüggesztéshez választott konstrukciót mutatja a 2. ábra. Ez egy hosszlengőkaros felfüggesztésből áll, amely hosszú egyenes utakra alkalmas, mint amilyenekkel a 3000+ km-es versenyeken találkozunk, egy keresztirányú laprugóval, amelynek gördülésgátló szerepe is van, mivel mindkét első kerékhez csatlakozik.
A felfüggesztés felépítése egy feszítéssel terhelt rudat foglal magában, amely a felső lambda alakú kart (vagy felső kart) a laprugóhoz kapcsolja. A jármű lényegében erre a rúdra van felfüggesztve, amely a terhelést a lambdaelemre, majd egy oszlopon keresztül a kerékre továbbítja.
Ez a rúd nagyon kicsi kell legyen, hogy beférjen a felfüggesztési sémába, de legfőképpen gömbcsuklókkal kell rendelkeznie a végein, mert a lambdaelem kinematikája miatt a rúd felső vége a sagittalis síkban egy körön mozog, míg az alsó vége a keresztirányú síkban mozog a laprugó deformációja során.
Ezeket a megfontolásokat követően különböző lehetőségeket vizsgáltak és hasonlítottak össze, beleértve az ultranagy molekulatömegű polietilén (kereskedelmi nevén Dyneema vagy Spectra) szalagok használatát.
Az UHMWPE szálak mechanikai tulajdonságai szobahőmérsékleten igen érdekesek a tervező számára a fém- vagy kompozit alapú megoldásokhoz képest, és e polimer szalagok használata sokkal könnyebb és kompaktabb alkatrészeket eredményezhet.
Tény, hogy 975 kg/m3 sűrűséggel egy tipikus Dyneema fonal 110 GPa rugalmassági modulusszal és 3400 MPa szakítószilárdsággal rendelkezik .
Most ezek az anyagok számos olyan sportalkalmazásban találhatók, amelyek könnyű súlyt és szilárdságot igényelnek, mint például az ernyővitorlák, a siklóernyők vagy ejtőernyők függesztőkötelei, valamint a versenyvitorlázásban használt kötélzet. Az íjászatban vagy sporthorgászzsinóraként is használják őket monofil szálak formájában. Végül a hegymászásban is használják őket, szintén kopásállóságuk miatt. Ami az ipari alkalmazásokat illeti, az UHMWPE szálakat a tengeri olaj- és gáziparban és az ipari tengeri iparban használt kötelekhez és zsinórokhoz használják. Ezenkívül kopásállóságuk és vegyszerállóságuk miatt ezek a kötelek a fémhuzalok és -kábelek vonzó alternatívájává válnak korrozív környezetben.
Az UHMWPE szálakat nagy teljesítményű vitorlák összetevőjeként is használják, gyakran kúszásálló szálakkal, például szénnel vagy kevlárral párosítva. A kúszás problémájával, azaz azzal a tendenciával, hogy statikus terhelés jelenlétében idővel növekvő alakváltozás következik be, először a biomechanikai alkalmazások esetében foglalkoztak .
A kúszással és a recsegéssel szembeni ellenállás biztosításához általában további tervezési eljárásokat kell alkalmazni .
A recsegést úgy definiálják, mint a nem nulla középfeszültségű, feszültségvezérelt ciklikus terhelésnek kitett anyagokban a képlékeny alakváltozás fokozatos felhalmozódását. Ez a felhalmozódás a ciklusok számának növekedésével halad előre, ami esetleg tönkremenetelhez vezet.
Egy nagyon korlátozott számú hivatkozás található a hőre lágyuló szálak vagy szalagok jellemzésére húzó-húzó fárasztó terhelésben.
Az ömlesztett UHMWPE egy- vagy kéttengelyű terhelés alatti recsegő viselkedéséről néhány kutatási tanulmány áll rendelkezésre, figyelembe véve az adalékanyagok hatását is, különösen biomechanikai alkalmazások esetében, de a szerzők tudomása szerint az UHMWPE szálak, fonalak vagy szalagok recsegő viselkedéséről nincs tanulmány a tudományos irodalomban.
2. Anyagok és módszerek
Ez a rész részletezi a lehetséges tervezési megoldások követelményeit, beleértve az UHMWPE szalagokat is. Erre az anyagra vonatkozóan bemutatjuk a racsnis jellemzést, és javaslatot teszünk egy olyan eljárásra, amely lehetővé teszi a felfüggesztési rendszerben való felhasználását.
A rúdnak az utasok és a gépkocsi súlyának az adott tengelyhez ragaszkodó kvótájával megegyező statikus axiális terhelést kell elviselnie. Ezenkívül dinamikus terhelésnek van kitéve a jármű mozgása során fellépő normál függőleges lengések, és végül az akadályoknak való ütközés következtében fellépő lökések miatt.
Az első felfüggesztés tekintetében, ahol a rudak helyezkednek el, a statikus terhelés egy kerékre vetítve 0,5 kN, amikor a jármű üres, és 1 kN, amikor a jármű négy utast szállít. A dinamikus terhelést a statikus terhelés többszörösének tekintjük, és normál vezetés (üzemi terhelés) esetén legfeljebb 2 kN-t, sokk esetén pedig legfeljebb 5 kN-t határozunk meg (legrosszabb esetre vonatkozó terhelés). Mindezen erők kizárólag vonóerőben terhelik a rudakat.
A kerék negatív és pozitív lökéseinek előírásait a laprugó tervezésénél használták, és nem fontosak a rúd kiválasztása szempontjából, feltéve, hogy az jelentősen merevebb, mint a laprugó.
A 3. ábrán a felfüggesztés kinematikája látható, a két szélső helyzet segítségével oldalnézetben és frontális nézetben.
Az egyik általános követelmény ezzel az elemmel szemben, hogy kereskedelmi forgalomba kerüljön és esetleg egy adott terhelésre legyen tanúsítva. Ez kizárta annak lehetőségét, hogy krimpelt acélhuzalból készült elemet használjunk, ami nagyon hatékony lett volna, de ilyen nagy terhelésekhez kis méretekben (150 mm-nél kisebb, mindent beleértve) nem állnak rendelkezésre.
A fém megoldástól eltérően a polimer elemet az időfüggő viszkoplasztikus viselkedés szempontjából kell értékelni, amit a következő fejezetben ismertetünk.
2.1. Az időfüggő viszkoplasztikus viselkedés. Ratcheting-értékelés
Mihelyt a napelemes jármű első versenyének küszöbön állása miatt az üres jármű első felfüggesztésre nehezedő súlya a szakítóterhelés nagyon kis hányadát teszi ki, úgy döntöttek, hogy kihagyják az időigényes kúszásvizsgálati kampányt, és az alkatrészeket közvetlenül ratcheting körülmények között vizsgálják.
A terhelésvezérelt ciklikus vizsgálatot egy szervohidraulikus Instron 8033 típusú, 25 kN-os terhelésmérővel felszerelt gépen végezték. A frekvencia 0,5 Hz volt, a terhelési arány pedig változó, de a minimális terhelést mindig 1 kN-on tartották (ami a jármű és az utasok súlyának kvótájának felel meg egyetlen első keréken). A 4. ábrán látható a próbatest terhelési rendszere.
Háromféle vizsgálatot végeztünk, mindegyiket szinuszos ciklikus terheléssel, egyenként három próbadarabon:(i)Lépéses vizsgálat szakadásig, amelyben a minimális terhelést 1 KN-on tartva állandónak, a maximális terhelést 10 ciklusonként 2 kN-ra emeltük(ii)Ciklikus vizsgálat 1 és 2 kN között 10000 cikluson keresztül 0. 0.5 Hz-en, ami a verseny során a normál vezetési körülmény(iii)ciklikus vizsgálat 1 és 5 kN között 10000 cikluson keresztül 0,5 Hz-en, ami a verseny során nagyon korlátozott számú alkalommal (10-20) előforduló legrosszabb esetet jelenti. Ezután 7 napos nyugalmi időszak 1 kN állandó terhelés mellett. Ezt követően ugyanazon a rúdon 1 és 2 kN közötti ciklikus vizsgálat 10000 cikluson keresztül 0,5 Hz-en
3. Eredmények és megbeszélés
3.1. Eredmények és megbeszélés
3.1. Ciklikus vizsgálat. A rúd kialakítása: Hagyományos kialakítás alumínium rúddal és gömb alakú csatlakozásokkal
A nyilvánvaló kereskedelmi megoldás egy alumínium rúd két gömb alakú csatlakozással, amint az az 5. ábrán látható, amelyet az ISO 12240-4 szabvány szerint számolnak ki a katalógusból, amely elérhető például a . A fent megadott terhelések figyelembevétele egy pár kereskedelmi gömbfejhez vezet, amelyeket az 1. táblázatban bemutatott típusok közül választunk ki, és amelyeket egy alumíniumoszlop köt össze. A rúd teljes minimális hossza () 78 és 108 mm között változik, a teljes súly pedig 26 és 52 gramm között mozog, plusz néhány gramm az alumíniumoszlop súlya.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A rúd merevségét az alumínium rész egyrészt dominálja, de ez nem jelent problémát, mivel hamarosan jóval nagyobb, mint a rugóé.
Másrészt ebben az esetben a minimális hosszúságot a fejgeometria határozza meg, továbbá a fej átmérője egyik oldalról túl nagy lehet ahhoz, hogy a laprugóba beférjen, másrészt a fejfurat mérete miatt a csatlakozócsap átmérője () 6 mm-re korlátozódik. Ez problémát jelenthet a lambda elemhez való csatlakozásnál a CFRP rétegekre ható nagy érintkezési nyomások miatt.
3.2. A CFRP rétegekre ható nagy érintkezési nyomások. Rendhagyó kialakítás polimer elemekkel
A fenti megfontolások alapján megvizsgálták egy kereskedelmi forgalomban kapható polimer elem alkalmazásának lehetőségét. A 12 mm átmérőjű és 20 kN névleges ellenállású kevlárköteleket tesztelték, de a krimpelés a fémhuzaloknál tapasztalt problémákkal járt, és a csomók készítése a névleges ellenállás erőteljes (és nehezen előrelátható) csökkenéséhez vezetett , megszüntetve ily módon a kereskedelmi elem előnyét. A 6. ábrán a különböző csomótípusok hatása látható a kötél kvazisztatikus viselkedésére. Látható, hogy a csomó meghúzása nagyon korlátozott terhelés mellett hatalmas elmozdulásokért felelős. A szakítószilárdság egyik esetben sem közelíti meg a névlegeset, és a teljes merevség sem megfelelő az alkalmazáshoz.
Végül egy hegymászáshoz használt, CE tanúsító jelöléssel 22 kN-ra méretezett, a 7. ábrán látható Dyneema varrott szalagot azonosítottak lehetséges megoldásként.
A minimális hossz 100 mm, a súly 6 gramm, a szélesség 10 mm, a fej átmérője pedig egyenlő a csap átmérőjével plusz a szalag vastagságának kétszeresével, ami 2 mm. Ezeket a csíkokat 12 mm-es csapokkal lehet a laprugóhoz és a lambda felső elemhez csatlakoztatni, ami a kompozitra gyakorolt meglehetősen alacsony érintkezési nyomást eredményez.
3.3. A csíkok a laprugóhoz és a lambda felső elemhez csatlakoztathatók. Ratcheting viselkedés
A 8. ábrán egy tipikus lépcsős teszt eredménye látható. Látható egy, az első ciklusokban szembetűnőbb racsnis viselkedés, amely az alacsonyabb terheléseknek felel meg. A törési terhelés nagyobb, mint a tanúsított terhelés, és 14 mm-es elmozdulásnak felel meg.
A 9. ábra a cikluson belüli maximális (5 kN) és minimális (1 kN) terhelésnek megfelelő maximális (piros színnel) és minimális (kék színnel) elmozdulást mutatja.
Mutatható, hogy az első ciklusokban bekövetkező erőteljes növekedés után a ratchetinghatás tendenciájában lassul.
A 10. ábrán a három vizsgálat jellemző eredményei láthatók (megjegyzendő, hogy ebben az esetben a ciklusok száma logaritmikus skálán van). Az 1-2 kN terhelésű próbatesteken értékelhető a korábbi 1-5 kN terhelés stabilizáló hatása. Tehát az előfeszített szalagok 2,6 mm-rel nagyobb hosszról indulnak, mint a kereskedelmi szalagok, de az üzemi terhelés (1-2 kN) miatti racsnis viselkedés drámaian csökken. Ez két különböző jelenséggel magyarázható, amelyek az 1 és 5 kN közötti terhelés során két különböző dimenzióskálán jelentkeznek. Molekuláris szinten az egyszálú polietilén hosszú láncai a terhelés iránya mentén igazodnak. Míg mikroszkopikus szinten a szalag vetülék- és láncfonalának szálai tömörödnek és igazodnak a terhelés iránya mentén, amint az a 11. ábra pásztázó elektronmikroszkópos felvételein látható, ahol szűz és edzett szalagokat hasonlítanak össze.
(a)
(b)
(a)
(b)
Az eredmények azt mutatják, hogy az UHMWPE rúd felhasználható, elővigyázatosságból a szerelés előtt a névlegesnél nagyobb terheléssel kiképezve, hogy a felfüggesztést a megfelelő kezdeti hosszal regisztráljuk.
A javasolt edzési protokoll a következő:(i)ellenőrizze, hogy a maximális legrosszabb esetű terhelés kisebb, mint a maximális névleges terhelés osztva egy megfelelő biztonsági tényezővel (minél nagyobb a biztonsági tényező, annál kisebb a szalag nyúlása a kiképzési fázisban)(ii)alkalmazza a maximális legrosszabb esetű terhelést az alkatrész küldetésének időtartamával összefüggő számú cikluson keresztül, reális frekvenciával(iii)tartsa a rudat statikusan a ciklikus terhelés minimális szintjén a ciklikus kiképzés időtartamával megegyező ideig(iv)mérje meg a rúd hosszát a szerelési beállítás kiigazításához
4. Következtetések
Egy könnyűszerkezetes járműfelfüggesztéshez való rúd tervezését mutatták be. A lehetséges tervezési megoldások elemzése, ill, egy hagyományos fémrúd kereskedelmi gömbcsatlakozásokkal és egy kereskedelmi polimer UHMWPE elem, azt mutatta, hogy az utóbbi képes bizonyos versenyelőnyöket biztosítani a tömeg és a csökkentett méretek tekintetében.
Mindemellett megállapították, hogy ebben az esetben a kúszás és a racsnis viselkedés két fő mechanizmus miatt jelenthet problémát: a hosszú polietilénláncok molekuláris szintű igazodása, valamint a szalag vetülék- és láncfonalainak mikroszkopikus szinten történő tömörödése és igazodása a terhelés irányában.
A megfelelő mechanikai ciklikus kísérleti vizsgálatok azt mutatták, hogy a munka- és a legrosszabb terhelés alkalmazása után a rúd nyúlása 1 kN terhelésnél 2, illetve 3,2 mm volt.
Egy speciális kiképzési protokoll alkalmazásával a rúd teljes stabilizálódását értük el a racsnisodás tekintetében, a nem kiképzett alkatrészekhez képest figyelembe veendő enyhe nyúlással.
A kiképzett UHMWPE-rudakat az említett vizsgálatok révén mind a maximális terhelés, mind a méretstabilitás tekintetében a felfüggesztésre alkalmasnak minősítették, és ténylegesen felszerelték őket az “Emilia 4” cirkálóosztályú járműre, amely megnyerte az American Solar Challenge 2018-as kiadását.
Adatok elérhetősége
A tanulmány megállapításainak alátámasztására használt kísérleti adatok kérésre elérhetők a szerzőtől.
Érdekütközések
A szerzők kijelentik, hogy nincsenek érdekellentétek.
A köszönetnyilvánítás
Ezt a kutatást az Onda Solare Solar Car Association támogatta. Végül külön köszönet Ana Pavlovicnak, Giacomo Baschettinek és Davide Peghettinek a személyes hozzájárulásukért. Ezt a kutatást az Olasz Külügyi és Nemzetközi Együttműködési Minisztérium (MAECI) finanszírozta a különös jelentőségű közös kutatási projektek keretében, a “Két ülés egy napelemes autóhoz” elnevezésű projekttel az Olaszország és Szerbia közötti tudományos és technológiai együttműködés végrehajtó programján belül.