Abstract

超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）は、非常に長い鎖が特徴の熱可塑性ポリエチレンに属する材料で、結果として非常に丈夫で抵抗力のある材料である。 UHMWPEの機械的特性は非常に優れているため、その用途は徐々に広がっています。 この研究では、自動車用サスペンションの設計と最適化において、特にソーラーカーのような超軽量車両の場合、UHMWPEが有効な材料ソリューションとなり得ることを、おそらく初めて説明します。 特に、この設計研究では、革新的な多人数乗車型ソーラーカー用に開発された超軽量サスペンションシステムにおいて、UHMWPEロッドが特定の運動軌道、機能、および全体的性能を確保することを可能にしました。 これらのロッドは、同様の機能を持つ従来の設計ソリューションと比較して88%の軽量化を実現し、同時に、高い剛性と動作精度を提供しました。 実験キャンペーンを実施し、適切な設計と使用に必要なラチェット動作とその他の機械的特性を評価しました。 はじめに

太陽エネルギーを動力とする自動車の設計など、いくつかの最先端の構造工学アプリケーションでは、設計者は最小限の重量を達成するために、できるだけ高い比剛性と比強度を持つ材料を使用する必要があります

太陽自動車は、例えば、World Solar Challengeの晴天で果てしない砂漠のオーストラリアの道路など、極限状態で長いレースを走るように運命づけられた革新的なプロトタイプです。 重量を最小限に抑えることは、他の技術的な詳細や工学的なトリックとともに、ソーラープロトタイプの成功の鍵となる要因である車両のエネルギー効率を向上させることを可能にします。 このアプリケーションのためのサスペンション・システムの設計の観点から、伝統的な自動車設計の適切な他の考慮事項とは別に、設計者はあらゆる種類のエネルギー散逸を減らすために細心の注意を払って行動しなければならないのです。 つまり、剛性が高く、軽く、正確なサスペンションを直接設計しなければならないのです。

よく知られたAshbyチャートを考慮すると、曲げ荷重がある場合やエネルギー吸収のためには炭素繊維強化プラスチック（CFRP）サンドイッチ、その他の場合には積層板に限定すべきであるという結論に達します。

この研究は、ボローニャ大学がOnda Solareソーラーカー協会と共同で設計・開発した多人数乗りのソーラーカーEmilia 4のためのフルCFRPサスペンションの設計のための予備的研究です。 この車両は、ワールドソーラーチャレンジのレギュレーションに基づくクルーザークラスに属し、4人乗りのレースプロトタイプです。 2018年6月に発表された車種で、2018年7月に開催されたアメリカン・ソーラー・チャレンジで優勝を果たしました。 このイベントでは、車両は太陽光エネルギーだけによって2700kmを走行し、異なるデザインの選択肢の間で有効な妥協点を示しました。 その中でも、サスペンションシステムの効果的な設計ソリューションの検索に特別な注意が向けられました。 車両の一般的な形状を図1に示し、サスペンションシステムの位置が透けて見える。

詳細については、車両のシャーシの設計プロセスを .NET に示しています。 車体全体はCFRP/高分子ハニカムサンドイッチでオートクレーブ化し、その他の機械部品はすべてCFRP積層板で構成されています。

ほとんどのエンジニアリング用途とは異なり、競技車両の場合、主な設計方向は目的であるレースの規則（例えば、）により決定されます。 特に、寸法、安全性、視認性、走行性、ソーラーパネルやバッテリーの特性などが重要視される。 これらの技術的制約と、エネルギー消費量の削減という設計目標が相まって、機械・構造面では空力特性の最適化が図られ、車両総重量は330kg以下となった。

電気モーターが後輪の中にあるので、トランスミッションシャフトやディファレンシャルが必要なく、サスペンションシステムが唯一の可動部分となります。

一般に、自動車のサスペンションは、レバーと弾性変形可能な要素のアセンブリであり、バネ下質量を懸架質量で拘束することにより、トラクションとコーナリングとブレーキ時の両方で車輪にかかる変動力（持続力）の所定の分布を実施し、道路の凹凸上の車両の通過後に伝わる衝撃を低減して、サスペンションで車体を維持する機能を有している。 したがって、サスペンションは、車輪をフレームに接続するすべての部品を含んでいます。 一般的には、構造部、弾性部、減衰部（この例では単一の要素に集中していない）の3つの主要部分から構成されています。 特に、本論文の焦点であるフロントサスペンションに選ばれた設計は、図2に示されている。 これは、3000km以上の競技会で遭遇するような長い直線道路に適した縦型アームサスペンションで、両前輪に結合されているためアンチロールの役割も持つ横型リーフスプリングで構成されています。

サスペンション構造は、上部ラムダ形状アーム（または上部アーム）を板ばねにリンクする張力でロードされるコンロッドから構成されています。

このコンロッドは、サスペンション・スキームに適合するために非常に小さくなければならないが、何よりも、ラムダ要素の運動学によって、コンロッドの上端は矢状面の円上を動き、下端は板ばね変形中に横断面上を動くので、その両端に球状のジョイントを持つ必要がある。

これらの検討の後、超高分子量ポリエチレン（商品名ダイニーマまたはスペクトラ）ストリップの使用など、さまざまな可能性が検討・比較された。

室温での UHMWPE 繊維の機械的特性は、金属または複合材ベースのソリューションと比較して、設計者にとって非常に興味深いもので、これらのポリマー ストリップの使用により、はるかに軽量でコンパクトなコンポーネントにつながります。

実際、密度975 kg/m3の典型的なダイニーマ糸は、110 GPaの弾性係数と3400 MPaの引張強度を有しています。 また、アーチェリーやスポーツフィッシングのラインとして、モノフィラメントの形で使用されています。 さらに、耐摩耗性に優れていることから、登山用にも使用されています。 産業用途としては、UHMWPE繊維は、オフショア石油・ガス産業や産業用海洋産業で使用されるロープや紐製品に使用されている。 さらに、その耐摩耗性と耐薬品性により、これらのロープは腐食環境において金属ワイヤーやケーブルの魅力的な代替品となっています。

UHMWPE繊維は、高性能セイルのコンポーネントとしても使用されており、しばしばカーボンやケブラーなどの耐クリープ繊維と組み合わされています。 クリープの問題、すなわち静的負荷の存在下で時間とともに変形が増大する傾向は、生体力学的応用の場合に最初に考慮されました。

一般に、クリープおよびラチェットに対する耐性を保証するために追加の設計手順を採用しなければなりません。

引張-引張疲労負荷における熱可塑性繊維またはストリップの特性評価については、非常に限られた数の文献を見つけることができます。

一軸または二軸荷重下でのバルクUHMWPEのラチェット挙動について、特に生体力学用途での添加物の効果も考慮したいくつかの調査研究がありますが、著者の知る限り、UHMWPE繊維、ヤーン、またはストリップのラチェット挙動に関する科学文献は存在しません。

2 材料と方法

このセクションでは、UHMWPEストリップを含め、考えられる設計ソリューションの要件について詳述しています。 この材料については、ラチェット特性評価を示し、サスペンションシステムでの使用を可能にする手順を提案します。

ロッドは、特定の軸に主張する乗客と車の重量の割合に等しい静的軸荷重を運ばなければなりません。

ロッドが配置されているフロントサスペンションに関しては、1輪あたりの静的荷重は無負荷時で0.5kN、4人乗車時で1kNと評価されています。 動荷重は静荷重の倍数とし，通常走行時（作動荷重）2kN以下，衝撃時（最悪荷重）5kN以下とした。

車輪の負ストロークと正ストロークの仕様は板バネの設計に用いられたもので、板バネよりかなり硬いという条件で、ロッドの選択には重要ではない。

図3には、サスペンションの運動学が、側面と正面から見た二つの極位置により、示されている。

この要素の1つの一般要件は、商用で特定の負荷に認定されているかもしれないということだ.

金属ソリューションとは異なり、ポリマーコンポーネントは次のセクションで説明する時間依存の粘塑性挙動に関して評価されなければなりません。 ラチェット評価

フロントサスペンションにかかる空の車両の重量が破断荷重の非常に小さな割合を占めると同時に、ソーラーカーの最初のレースが差し迫っていたため、時間のかかるクリープ試験キャンペーンを省略することにし、コンポーネントを直接ラチェット条件で試験することにしました。 周波数は0.5Hzで荷重比は可変ですが，最小荷重は常に1kN（前輪1輪にかかる車両と乗客の重量の割合に相当）に維持されています。 図4は、試験片の負荷システムを示したものである。

以下の3種類の試験を，すべて正弦波周期荷重を用いて，それぞれ3個の試験片に対して実施した。(i) 破断までのステップ試験。最小荷重は1 KNで一定とし，10サイクルごとに最大荷重を2 kNに増加させた。(ii) 1～2 kN間で10000サイクルにわたり，0.(iii)レース中のごく限られた回数（10～20回）だけ直面する最悪の条件である0.5 Hzで1～5 kN、10000サイクルの繰り返し試験。 その後、1kNの定荷重で7日間の休息期間を設けます。 その後、同じロッドで1～2kN、0.5Hzで10000サイクルの繰返し試験

3. 結果と考察

3.1. ロッドの設計 アルミニウムロッドと球状接続による従来の設計

明らかな商業的解決策は、図5に見られるように、ISO 12240-4に従って、例えば.NETで入手できるカタログから計算される2つの球状接続を備えたアルミニウムロッドである。 上記の荷重を考慮すると、表1に示すタイプの中から市販の球状ヘッドを2つ選び、アルミニウムの支柱で結合することになります。 棒の長さは78mmから108mm、重さは26gから52gでアルミの重さは数gとなる。

ロッドの剛性はアルミ部のものが支配的だが、すぐにバネ部よりはるかに高くなるので問題ない。

一方、この場合、最小長はヘッド形状で決まり、また一方ではヘッド径が大きすぎて板バネに入らないことがあり、他方ではヘッドの穴径の関係で連結ピン径（）は6mmに限定されている。 これは、CFRPプライの接触圧が高くなるため、ラムダエレメントとの接続に問題がある可能性があります。

3.2. 高分子エレメントによる従来にない設計

以上の検討の結果、市販の高分子エレメントを使用する可能性を検討した。 直径12mm、公称抵抗値20kNのケブラーロープをテストしたが、圧着は金属線の場合と同じ問題があり、結び目を作ると公称抵抗値が急激に（予見しにくく）低下するため、市販品の利点がなくなってしまう。 図6に、ロープの準静的挙動に及ぼす結び目の種類の影響を示す。 結び目の締め付けは、非常に限られた荷重で大きな変位を引き起こすことがわかります。 図 6

最終的に、登山に使用され、CE認証マークで22kNの定格を持つ、図7に示すダイニーマ縫製ストリップが可能なソリューションとして確認された。

長さは100mm、重さは6g、幅は10mm、頭部の直径はピンの直径にストリップの厚さの2倍を加えたもので、2mmである。 これらのストリップは12mmのピンによってリーフスプリングとラムダアッパーエレメントに接続することができ、複合材への接触圧をかなり低くすることができました。 ラチェット挙動

図8は典型的なステップテストの結果である。 最初のサイクルでより顕著なラチェット挙動が見られ、これは低荷重に対応するものである。 破断荷重は認定荷重より高く、14mmの変位に相当します。

図9は、サイクル内の最大荷重（5kN）および最小荷重（1kN）に対応する最大変位（赤）および最小変位（青）をそれぞれ示しています。

最初のサイクルで急激に増加後、ラチェット効果は鈍化する傾向があることを示しています。

図10に、3つのテストの典型的な結果を示す（この場合、サイクル数は対数スケールであることに注意されたい）。 1-2kN負荷の試験片に、前回の1-5kN負荷の安定化効果を評価することが可能である。 つまり、予荷重を受けたストリップは市販のものよりも2.6 mm高い長さからスタートしますが、使用荷重（1-2 kN）によるラチェット動作は劇的に減少しています。 これは、1～5kNの荷重をかけたときに、2つの異なる次元スケールで起こる現象によって説明することができます。 分子レベルでは、一本鎖の長いポリエチレン鎖が荷重方向に沿って整列する。 一方、ミクロのレベルでは、ストリップの横糸と縦糸のストランドが圧縮され、負荷方向に沿って整列する。

この結果から、UHMWPEロッドを使用する場合、サスペンションを正しい初期長で登録するために、公称よりも高い荷重で取り付ける前にトレーニングするという予防措置を取ることが可能であることがわかりました。

推奨されるトレーニング・プロトコルは以下の通りです。(i)最大最悪の荷重が、最大定格荷重を適切な安全係数で割った値より低いことを確認する（安全係数が高いほど、トレーニング段階でのストリップの伸びが小さくなる）(ii)最大最悪の荷重を、現実の周波数で、部品のミッション期間と一致するサイクル数だけ加える(iii)サイクルのトレーニング時間と同じだけロッドをサイクル荷重の最小レベルに静的に保つ(iv) ロッド長さを測定し、取り付け設定を適応する

4. 結論

軽量車両サスペンションのためのロッドの設計を示した。 可能な設計ソリューションの分析、すなわち。 市販の球状接続部を持つ従来の金属ロッドと市販の高分子UHMWPE要素の分析により、後者は重量と寸法の縮小という点でいくつかの競争上の利点を提供できることが示されました。

それにもかかわらず、この場合、長いポリエチレン鎖の分子レベルでの配列と、ストリップの横糸と縦糸のストランドの荷重方向への圧縮と配列という2つの主要なメカニズムによって、クリープとラチェット挙動が問題になりうることが判明しました。

適切な機械的繰り返し実験試験により、作業負荷および最悪負荷の適用後、1kNの負荷におけるロッド伸長はそれぞれ2および3.2mmであることが実証された。

特定の訓練プロトコルを適用することによって、ラチェットに関するロッドの完全な安定化が得られ、非訓練コンポーネントに関して、考慮する必要があるわずかな伸長を伴う。

訓練したUHMWPEロッドは、最大荷重と寸法安定性の両方に関して、前述の試験によってサスペンションの資格を得られ、それらは実際にアメリカのソーラーチャレンジ2018版に勝ったクルーザー級車両「エミリア4」に取り付けられました。

Data Availability

本研究の知見を裏付けるために使用した実験データは、要求に応じて対応する著者から入手可能である

Conflicts of Interest

著者は、利害の衝突がないことを宣言する

Acknowledgegments

この研究はオンダソーラーカー協会によって支援されている。 最後に、個人的に貢献してくれた Ana Pavlovic、Giacomo Baschetti、Davide Peghetti に特別な謝意を表します。 本研究は、イタリア外務・国際協力省（MAECI）の特別関連共同研究プロジェクトにより、科学技術分野におけるイタリア・セルビア間の協力の執行プログラム内の「ソーラーカーのための2座席」というプロジェクトで資金提供されました

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