- Abstract
- 1. Inleiding
- 2. Materialen en methoden
- 2.1. Ratcheting Assessment
- 3. Resultaten en Discussie
- 3.1. Staafontwerp: Conventioneel ontwerp met aluminium staven en bolvormige verbindingen
- 3.2. Onconventioneel ontwerp door polymere elementen
- 3.3. Ratcheting Behavior
- 4. Conclusies
- Beschikbaarheid van gegevens
- Belangenconflicten
- Acknowledgments
Abstract
Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylene (UHMWPE) is een subgroep van het thermoplastisch polyethyleen dat wordt gekenmerkt door extreem lange ketens en daardoor een zeer taai en resistent materiaal is. Wegens opmerkelijke specifieke mechanische eigenschappen wordt het gebruik ervan geleidelijk uitgebreid tot talrijke toepassingsgebieden. Deze studie beschrijft, misschien wel voor het eerst, hoe UHMWPE een geldige materiaaloplossing kan zijn voor het ontwerp en de optimalisering van ophangingen voor gebruik in de automobielsector, vooral in het geval van extreem lichte voertuigen, zoals zonnewagens. In deze ontwerpstudie maakten UHMWPE-staven het mogelijk om specifieke kinematische trajecten, functionaliteiten en algemene prestaties te verzekeren in een uitzonderlijk lichte ophanging, ontwikkeld voor een innovatief zonnevoertuig met meerdere inzittenden. Deze stangen verminderden het gewicht met 88% ten opzichte van de klassieke ontwerpoplossingen met vergelijkbare functies, en boden tegelijkertijd een hoge stijfheid en nauwkeurigheid in de bewegingen. Een experimentele campagne werd uitgevoerd om het ratelgedrag en andere mechanische eigenschappen te evalueren die nodig zijn voor een juist ontwerp en gebruik.
1. Inleiding
In sommige geavanceerde constructietechnische toepassingen, zoals het ontwerp van door zonne-energie aangedreven voertuigen, moet de ontwerper materialen gebruiken met de hoogst mogelijke specifieke stijfheid en specifieke sterkte om een minimaal gewicht te bereiken.
De zonne-voertuigen zijn innovatieve prototypes die bestemd zijn om lange races te rijden in extreme omstandigheden, zoals bijvoorbeeld de zonnige en eindeloze Australische woestijnwegen van de World Solar Challenge . Het minimaliseren van het gewicht maakt het, samen met andere technische details en engineering trucs, mogelijk om de energie-efficiëntie van het voertuig te verbeteren, wat een sleutelfactor is voor een succesvol zonne-prototype. Vanuit het oogpunt van het ontwerp van een ophangingssysteem voor die toepassing en afgezien van alle andere overwegingen die bij het traditionele auto-ontwerp horen, moet de ontwerper uiterst zorgvuldig te werk gaan om elke vorm van energiedissipatie te beperken.
Daarom moet de auto stabiel op de asperiteit van de weg rijden, moeten trillingen minimaal zijn, en moet de traagheid ten opzichte van veranderingen in snelheid en richting worden beperkt. In de praktijk betekent dit dat het ontwerp direct moet zijn gericht op stijve, lichte en nauwkeurige vering. De mogelijkheid om deze resultaten te bereiken hangt ook samen met de materiaalkeuze.
De bekende Ashby-grafieken leiden tot de conclusie dat de keuze moet worden beperkt tot koolstofvezelversterkte kunststof (CFRP) sandwiches, bij buigbelasting of voor energie-absorptie, en laminaten in de andere gevallen, met de mogelijkheid metalen te gebruiken wanneer andere omstandigheden doen vermoeden dat geen composieten mogen worden gebruikt (b.v. hoge contactspanningen, transversale belasting en blootstelling). In zeer specifieke gevallen, waar geometrische of functionele beperkingen aanwezig zijn, zoals in het veersysteem, kunnen andere soorten materialen, zoals hoogwaardige polymeren, door de ontwerper in overweging worden genomen.
De hier gepresenteerde studies waren voorbereidend op het ontwerp van een volledige CFRP ophanging voor het zonne-voertuig genaamd Emilia 4, een meerpersoons zonne-auto, ontworpen en ontwikkeld door de Universiteit van Bologna in samenwerking met de Onda Solare Solar Car Association. Dit voertuig behoort tot de Cruiser-klasse, in overeenstemming met het World Solar Challenge-reglement en is een raceprototype met vier zitplaatsen. Het automodel werd in juni 2018 gepresenteerd en won in juli 2018 de American Solar Challenge. In dit evenement legde het voertuig 2700 km af door middel van uitsluitend zonne-energie en toonde daarmee een geldig compromis tussen de verschillende ontwerpkeuzes. Onder hen werd speciale aandacht besteed aan het zoeken naar effectieve ontwerpoplossingen voor de ophangingssystemen. De algemene vorm van het voertuig wordt getoond in figuur 1, waarbij de plaats van de ophangingssystemen zichtbaar is in transparantie.
Voor aanvullende details wordt het ontwerpproces van het chassis van de auto getoond in . De gehele carrosserie van de auto is gemaakt van een autoclaaf CFRP/polymere honingraat sandwich, terwijl alle andere mechanische onderdelen bestaan uit CFRP laminaten.
In tegenstelling tot de meeste technische toepassingen, worden in het geval van wedstrijdvoertuigen de belangrijkste ontwerprichtlijnen gedicteerd door de regels van de race waarvoor ze bestemd zijn (bijv. ). Deze eisen hebben met name betrekking op aspecten als totale afmetingen, veiligheid, zichtbaarheid, rijeigenschappen, en eigenschappen van zonnepanelen en accu’s. Al deze technische beperkingen, gekoppeld aan de algemene ontwerpdoelstelling om het energieverbruik te verminderen, leidden, wat de mechanische en structurele aspecten betreft, tot de aërodynamische optimalisatie en tot een totaalgewicht van de auto dat lager was dan 330 kg. Met toevoeging van 320 kg, het standaardgewicht van vier passagiers, bedroeg de totale belasting van de vier ophangingen 650 kg.
Het ophangingssysteem is in ons geval het enige bewegende deel van de auto, aangezien de elektromotoren zich in de achterwielen bevinden, zodat geen transmissieassen of differentieel nodig zijn.
In het algemeen is de ophanging van een auto het geheel van hefbomen en elastisch vervormbare elementen dat, door de niet-afgeveerde massa’s in toom te houden met de opgehangen massa’s, de functie heeft de carrosserie in ophanging te houden, een vooraf bepaalde verdeling van de variabele krachten uit te voeren – de krachten op de wielen, zowel in de tractie als in de bochten en bij het remmen – en de schokken te verminderen die worden overgebracht als gevolg van de passage van het voertuig op de asperiteit van de weg. De ophanging omvat dus al die onderdelen die de wielen met het frame verbinden. In het algemeen bestaat de ophanging uit drie hoofdonderdelen: een structureel deel, een elastisch deel en een dempend deel (dat in onze studie niet in één enkel element is geconcentreerd). Het structurele deel is een stel hefbomen dat tot doel heeft de ophanging en bijgevolg het wiel in zijn beweging ten opzichte van het chassis te geleiden.
In het bijzonder is het ontwerp dat is gekozen voor de voorwielophanging, waarop deze studie is toegespitst, weergegeven in figuur 2. Het bestaat uit een longitudinale arm ophanging, geschikt voor lange rechte wegen, zoals die men tegenkomt in de 3000+ km wedstrijden, met een dwarse bladveer die ook een antiroll rol heeft omdat het is verbonden met beide voorwielen.
De ophangingsarchitectuur bestaat uit een op spanning gebrachte drijfstang die de bovenste lambda-vormige arm (of bovenste arm) met de bladveer verbindt. In principe is het voertuig opgehangen aan die drijfstang die de belasting overbrengt op het lambda-element en vervolgens via een pijler, op het wiel.
Deze drijfstang moet zeer klein zijn om in het veerschema te passen, maar bovenal moet hij bolvormige verbindingen aan de uiteinden hebben, omdat de kinematica van het lambda-element het bovenste uiteinde van de drijfstang op een cirkel in het sagittale vlak doet bewegen, terwijl het onderste uiteinde tijdens de bladveervervorming op het transversale vlak beweegt.
Naar aanleiding van deze overwegingen werden verschillende mogelijkheden onderzocht en vergeleken, waaronder het gebruik van ultra-hoog-moleculair-gewicht polyethyleen (commerciële naam Dyneema of Spectra) strips.
De mechanische eigenschappen van UHMWPE-vezels bij kamertemperatuur zijn zeer interessant voor de ontwerper, vergeleken met oplossingen op basis van metaal of composiet, en het gebruik van deze polymere stroken kan leiden tot een veel lichter en compacter onderdeel.
In feite heeft een typisch Dyneema-garen, met een dichtheid van 975 kg/m3, een elasticiteitsmodulus van 110 GPa en een treksterkte van 3400 MPa .
Heden ten dage worden deze materialen aangetroffen in vele sporttoepassingen die lichtgewicht en sterkte vereisen, zoals parasails, ophanglijnen voor paragliders of parachutes, en in tuigage gebruikt bij wedstrijdzeilen. Zij worden ook gebruikt in het boogschieten of als sportvislijnen in de vorm van monofilamenten. Tenslotte worden zij gebruikt in de klimsport, mede wegens hun schuurweerstand. Wat industriële toepassingen betreft, worden UHMWPE-vezels gebruikt voor touw- en koordproducten die worden gebruikt in de offshore olie- en gasindustrie en in de industriële scheepvaart. Bovendien maken hun slijtvastheid en chemische bestendigheid deze touwen tot aantrekkelijke alternatieven voor metaaldraden en kabels in corrosieve omgevingen.
UHMWPE-vezels worden ook gebruikt als component in hoogwaardige zeilen, vaak in combinatie met een kruipbestendige vezel, zoals koolstof of Kevlar. Het probleem van kruip, d.w.z. de neiging tot toenemende vervorming in de loop van de tijd in aanwezigheid van een statische belasting, werd voor het eerst beschouwd in het geval van biomechanische toepassingen.
In het algemeen moeten aanvullende ontwerpprocedures worden toegepast om de bestendigheid tegen kruip en ratcheting te garanderen.
Ratcheting wordt gedefinieerd als de progressieve accumulatie van plastische vervorming in materialen die worden onderworpen aan een spanningsgecontroleerde cyclische belasting met een gemiddelde spanning van niet nul. Deze accumulatie verloopt naarmate het aantal cycli toeneemt en leidt mogelijk tot bezwijken.
Er is een zeer beperkt aantal referenties te vinden over de karakterisering van thermoplastische vezels of strips bij trek- en trekvermoeiingsbelasting.
Er zijn enkele onderzoeken beschikbaar over het ratelgedrag van bulk UHMWPE onder uniaxiale of biaxiale belasting, waarbij ook het effect van additieven in aanmerking wordt genomen, met name voor biomechanische toepassingen, maar voor zover de auteurs weten, zijn er in de wetenschappelijke literatuur geen studies over het ratelgedrag van UHMWPE-vezels, -garens of -stroken.
2. Materialen en methoden
In dit deel worden de eisen voor de mogelijke ontwerpoplossingen gedetailleerd beschreven, waaronder UHMWPE-strips. Voor dit materiaal wordt de karakterisering van de ratcheting getoond en wordt een procedure voorgesteld om het gebruik ervan in het veersysteem mogelijk te maken.
De stang moet een statische axiale belasting dragen die gelijk is aan het quotum van het gewicht van de passagiers en van de auto dat op de specifieke as drukt. Bovendien wordt hij onderworpen aan dynamische belastingen ten gevolge van de normale verticale oscillatie die optreedt tijdens de beweging van het voertuig en tenslotte aan schokken ten gevolge van botsingen op obstakels.
Wat de voorwielophanging betreft, waar zich de stangen bevinden, wordt geschat dat de statische belasting per enkel wiel 0,5 kN bedraagt wanneer het voertuig onbeladen is en 1 kN wanneer het voertuig vier passagiers vervoert. De dynamische belasting wordt beschouwd als een veelvoud van de statische, en deze wordt vastgesteld op maximaal 2 kN bij normaal rijden (werkbelasting) en maximaal 5 kN in geval van schokken (worst-case belasting). Al deze krachten belasten de stangen uitsluitend in tractie.
De specificaties van de negatieve en positieve slag van het wiel zijn gebruikt voor het ontwerp van de bladveer en zijn niet van belang voor de keuze van de stang, mits deze aanzienlijk stijver is dan de bladveer.
In figuur 3 wordt de kinematica van de ophanging getoond, aan de hand van de twee uiterste posities in zijaanzicht en vooraanzicht.
Een algemene eis voor dit element is dat het in de handel verkrijgbaar is en eventueel gecertificeerd voor een specifieke belasting. Dit sloot de mogelijkheid uit om een element van geplooide staaldraad te gebruiken dat zeer effectief zou zijn geweest, maar deze zijn niet beschikbaar voor dergelijke hoge belastingen in kleine afmetingen (lager dan 150 mm, alles inbegrepen).
Verschillend van de metalen oplossing moet een polymere component worden beoordeeld met betrekking tot het tijdsafhankelijke viscoplastische gedrag dat in de volgende sectie wordt beschreven.
2.1. Ratcheting Assessment
Zodra het gewicht van het lege voertuig op de voorwielophanging een zeer kleine fractie van de breukbelasting vertegenwoordigt, vanwege de op handen zijnde eerste race van het zonnevoertuig, werd besloten een tijdrovende kruip-test campagne over te slaan en werden de onderdelen direct in ratcheting condities getest.
Een belasting-gecontroleerde cyclische test werd uitgevoerd op een servohydraulische Instron 8033 machine, uitgerust met een 25 kN load cell. De frequentie was 0,5 Hz en de belastingsverhouding variabel, maar de minimumbelasting werd steeds op 1 kN gehouden (wat overeenkomt met een quotum van het gewicht van het voertuig en de passagiers op één enkel voorwiel). In afbeelding 4 is het systeem voor het belasten van het proefstuk te zien.
Drie soorten proeven werden uitgevoerd, alle met sinusoïdale cyclische belasting, op telkens drie proefstukken:(i)Stappentest tot breuk, waarbij, terwijl de minimumbelasting constant werd gehouden op 1 KN, de maximumbelasting om de 10 cycli werd verhoogd tot 2 kN(ii)Cyclische test tussen 1 en 2 kN gedurende 10000 cycli bij 0.iii) Cyclische test tussen 1 en 5 kN gedurende 10000 cycli bij 0,5 Hz, de slechtst denkbare toestand die zich tijdens de race een zeer beperkt aantal keren (10-20) voordoet. Vervolgens een rustperiode van 7 dagen bij een constante belasting van 1 kN. Daarna, op dezelfde staaf, een cyclische test tussen 1 en 2 kN gedurende 10000 cycli bij 0,5 Hz
3. Resultaten en Discussie
3.1. Staafontwerp: Conventioneel ontwerp met aluminium staven en bolvormige verbindingen
De voor de hand liggende commerciële oplossing is een aluminium staaf met twee bolvormige verbindingen, zoals te zien is in figuur 5, die berekend is volgens ISO 12240-4 uit de catalogus die bijvoorbeeld beschikbaar is in . Rekening houdend met de bovengenoemde belastingen leidt dit tot een paar in de handel verkrijgbare bolvormige koppen, gekozen uit de in tabel 1 getoonde typen, verbonden door een aluminium pijler. De totale minimumlengte () van de staaf wordt varieert van 78 tot 108 mm en het totale gewicht varieert van 26 tot 52 gram plus enkele grammen van het gewicht van de aluminium zuil.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
De stijfheid van de staaf wordt gedomineerd door die van het aluminium deel, maar dit is geen probleem zodra deze veel hoger is dan die van de veer.
Anderzijds wordt in dit geval de minimumlengte bepaald door de geometrie van de kop en ook kan de kopdiameter aan de ene kant te groot zijn om in de bladveer te passen, en aan de andere kant is de diameter van de verbindingspen () beperkt tot 6 mm als gevolg van de grootte van het gat in de kop. Dit zou een probleem kunnen zijn bij de verbinding met het lambda-element vanwege de hoge contactdruk op de CFRP lagen.
3.2. Onconventioneel ontwerp door polymere elementen
Naar aanleiding van deze overwegingen werd de mogelijkheid onderzocht om een commercieel polymeerelement te gebruiken. Kevlar touwen met een diameter van 12 mm en een nominale weerstand van 20 kN werden getest, maar het plooien had dezelfde problemen als bij metaaldraden en het maken van knopen leidde tot een scherpe (en moeilijk te voorziene) vermindering van de nominale weerstand, waardoor het voordeel van het commerciële element teniet werd gedaan. In figuur 6 wordt het effect van verschillende soorten knopen op het quasistatische gedrag van het touw getoond. Men kan zien dat de aanspanning van de knoop verantwoordelijk is voor enorme verplaatsingen met zeer beperkte belasting. In geen enkel geval ligt de uiterste sterkte dicht bij de nominale en ook de totale stijfheid is niet geschikt voor de toepassing.
Tot slot werd een Dyneema gestikte strook die voor bergbeklimmen wordt gebruikt en met CE-certificatie voor 22 kN is gekeurd, zoals in figuur 7 is te zien, als een mogelijke oplossing geïdentificeerd.
De minimumlengte is 100 mm, het gewicht is 6 gram, de breedte is 10 mm, en de diameter van de kop is gelijk aan de diameter van de pen plus twee keer de dikte van de strip die 2 mm bedraagt. Deze strips kunnen met de bladveer en met het lambda-bovenelement worden verbonden door middel van pinnen van 12 mm, hetgeen leidt tot een tamelijk geringe contactdruk op het composiet.
3.3. Ratcheting Behavior
In figuur 8 wordt een typisch stap-test resultaat getoond. Een ratcheting gedrag, duidelijker in de eerste cycli, kan worden gezien, wat overeenkomt met de lagere belastingen. De breukbelasting is hoger dan de gecertificeerde belasting en komt overeen met een verplaatsing van 14 mm.
Figuur 9 toont de maximale verplaatsing, in rood, en de minimale verplaatsing, in blauw, die respectievelijk overeenkomen met de maximale (5 kN) en minimale (1 kN) belasting binnen de cyclus.
Er kan worden aangetoond dat, na een sterke toename in de eerste cycli, het ratcheting effect de neiging heeft te vertragen.
In figuur 10 zijn de typische resultaten van de drie proeven weergegeven (merk op dat in dit geval het aantal cycli op een logaritmische schaal staat). Het is mogelijk om het stabiliserende effect op de 1-2 kN belaste proefstukken van een voorafgaande 1-5 kN belasting te waarderen. De voorbelaste stroken beginnen dus met een lengte die 2,6 mm groter is dan de in de handel verkrijgbare, maar het ratelgedrag als gevolg van de dienstbelasting (1-2 kN) is drastisch verminderd. Dit kan verklaard worden door twee verschillende fenomenen die optreden tijdens de belasting tussen 1 en 5 kN op twee verschillende dimensionele schalen. Op moleculair niveau worden de lange polyethyleenketens van de enkele streng langs de belastingsrichting uitgelijnd. Op microscopisch niveau worden de strengen van de inslag en de ketting van de strook samengeperst en in de richting van de belasting uitgelijnd, zoals te zien is op de scan-elektronenmicrofoto’s van figuur 11, waar nieuwe en getrainde stroken worden vergeleken.
(a)
(b)
(a)
(b)
De resultaten tonen aan dat het mogelijk is de UHMWPE-staaf te gebruiken, met inachtneming van de voorzorgsmaatregel om deze voor de montage te trainen bij een hogere belasting dan de nominale, zodat de ophanging met de juiste aanvangslengte wordt geregistreerd.
Het voorgestelde trainingsprotocol is als volgt:(i)controleer of de maximale worst-case belasting lager is dan de maximale nominale belasting gedeeld door een geschikte veiligheidsfactor (hoe hoger de veiligheidsfactor, hoe lager de rek van de strip in de trainingsfase)(ii)pas de maximale worst-case belasting toe gedurende een aantal cycli dat coherent is met de duur van de componentmissie, bij realistische frequentie(iii)houd de stang statisch op het minimumniveau van de cyclische belasting gedurende dezelfde tijd van de cyclische training(iv)meet de stanglengte om de montageopstelling aan te passen
4. Conclusies
Het ontwerp van een stang voor een lichtgewicht voertuigophanging werd getoond. De analyse van de mogelijke ontwerpoplossingen, d.w.z, een conventionele metalen stang met commerciële bolvormige verbindingen en een commercieel polymeer UHMWPE-element, toonde aan dat de laatste in staat was een aantal concurrentievoordelen te bieden, in termen van gewicht en gereduceerde afmetingen.
Niettemin bleek dat in dit geval het kruip- en ratelgedrag een probleem kon zijn, als gevolg van twee hoofdmechanismen: de uitlijning op moleculair niveau van de lange polyethyleenketens en de verdichting en uitlijning in de richting van de belasting van de strengen van de inslag en de ketting van de strook op microscopisch niveau.
Geschikte mechanische cyclische experimentele proeven toonden aan dat, na toepassing van de werkende en de worst-case belasting, de staafverlenging bij een belasting van 1 kN respectievelijk 2 en 3,2 mm bedroeg.
Door toepassing van een specifiek trainingsprotocol werd een volledige stabilisatie van de staaf met betrekking tot ratcheting verkregen, met een lichte rek, waarmee rekening moet worden gehouden, ten opzichte van de niet-getrainde componenten.
De getrainde UHMWPE-staven werden gekwalificeerd voor de ophanging door middel van de genoemde tests, zowel met betrekking tot de maximale belasting als de dimensionale stabiliteit, en ze werden daadwerkelijk gemonteerd op het Cruiser-Class Vehicle “Emilia 4” dat de 2018-editie van de American Solar Challenge won.
Beschikbaarheid van gegevens
De experimentele gegevens die zijn gebruikt om de bevindingen van deze studie te ondersteunen, zijn op verzoek beschikbaar bij de corresponderende auteur.
Belangenconflicten
De auteurs verklaren dat ze geen belangenconflicten hebben.
Acknowledgments
Dit onderzoek werd ondersteund door Onda Solare Solar Car Association. Tot slot gaat speciale dank uit naar Ana Pavlovic, Giacomo Baschetti, en Davide Peghetti voor hun persoonlijke bijdragen. Dit onderzoek is gefinancierd door het Italiaanse Ministerie van Buitenlandse Zaken en Internationale Samenwerking (MAECI) via de Joint Research Projects of Particular Relevance, met een project genaamd “Two Seats for a Solar Car” binnen het Executive Programme of Cooperation between Italy and Serbia in the field of science and technology.