- Abstract
- 1. Wprowadzenie
- 2. Materiały i Metody
- 2.1. Ocena odporności na pełzanie
- 3. Wyniki i Dyskusja
- 3.1. Konstrukcja prętów: Conventional Design by Aluminum Rods and Spherical Connections
- 3.2. Unconventional Design by Polymeric Elements
- 3.3. Zachowanie grzechotkowe
- 4. Wnioski
- Dostępność danych
- Konflikty interesów
- Podziękowania
Abstract
Ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) jest podgrupą termoplastycznego polietylenu charakteryzującą się niezwykle długimi łańcuchami, a w rezultacie bardzo wytrzymałym i odpornym materiałem. Ze względu na niezwykłe specyficzne właściwości mechaniczne, jego zastosowanie jest stopniowo rozszerzane na wiele dziedzin. W niniejszym opracowaniu opisano, być może po raz pierwszy, w jaki sposób UHMWPE może stanowić ważne rozwiązanie materiałowe w projektowaniu i optymalizacji zawieszeń do zastosowań motoryzacyjnych, zwłaszcza w przypadku wyjątkowo lekkich pojazdów, takich jak samochody solarne. W szczególności, w tym studium projektowym, pręty UHMWPE pozwoliły na zapewnienie określonych trajektorii kinematycznych, funkcjonalności i ogólnej wydajności w wyjątkowo lekkim układzie zawieszenia, opracowanym dla innowacyjnego wieloosobowego pojazdu solarnego. Pręty te zredukowały masę o 88% w stosunku do klasycznych rozwiązań konstrukcyjnych o podobnych funkcjach, oferując jednocześnie wysoką sztywność i dokładność ruchów. Przeprowadzono kampanię eksperymentalną w celu oceny zachowania zapadkowego i innych właściwości mechanicznych niezbędnych do prawidłowego zaprojektowania i użytkowania.
1. Wprowadzenie
W niektórych nowatorskich zastosowaniach inżynierii strukturalnej, takich jak projektowanie pojazdów napędzanych energią słoneczną, projektant musi użyć materiałów o najwyższej możliwej sztywności właściwej i wytrzymałości właściwej w celu osiągnięcia minimalnej masy .
Pojazdy napędzane energią słoneczną są innowacyjnymi prototypami przeznaczonymi do długich wyścigów w ekstremalnych warunkach, takich jak na przykład słoneczne i niekończące się pustynne australijskie drogi podczas World Solar Challenge . Minimalizacja wagi pozwala, wraz z innymi szczegółami technicznymi i sztuczkami inżynieryjnymi, na poprawę wydajności energetycznej pojazdu, co stanowi kluczowy czynnik sukcesu prototypu solarnego. Z punktu widzenia projektowania systemu zawieszenia dla tego zastosowania i poza wszelkimi innymi rozważaniami właściwymi dla tradycyjnego projektu samochodowego, projektant musi działać z najwyższą starannością, aby zmniejszyć wszelkiego rodzaju rozproszenia energii.
W związku z tym, samochód musi stabilnie poruszać się po asfalcie drogi, wibracje muszą być minimalne, a bezwładność w odniesieniu do zmian prędkości i kierunku musi być ograniczona. Oznacza to w praktyce, że projekt musi być bezpośredni do sztywnych, lekkich i precyzyjnych zawieszeń. Możliwość uzyskania tych wyników jest również związane z wyborem materiału.
Rozważając znane wykresy Ashby prowadzi do wniosku, że wybór powinien być ograniczony do kanapek z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym (CFRP), w obecności obciążenia zginającego lub do pochłaniania energii, a laminaty w innych przypadkach, z możliwością stosowania metali, gdzie inne warunki mogą sugerować, aby nie używać kompozytów (np. wysokie naprężenia kontaktowe, obciążenie poprzeczne i narażenia). W bardzo szczególnych przypadkach, gdzie geometryczne lub funkcjonalne ograniczenia jest obecny, jak w systemie zawieszenia, inne rodzaje materiałów, takich jak polimery wysokiej wydajności, mogą być brane pod uwagę przez projektanta.
Badania przedstawione w były wstępne do projektowania pełnego zawieszenia CFRP dla pojazdu solarnego o nazwie Emilia 4, wielomiejscowy samochód słoneczny, zaprojektowany i opracowany przez Uniwersytet w Bolonii we współpracy z Onda Solare Solar Car Association. Pojazd ten należy do klasy Cruiser, zgodnie z regulaminem World Solar Challenge i jest czteromiejscowym prototypem wyścigowym. Model samochodu został zaprezentowany w czerwcu 2018 r., a w lipcu 2018 r. wygrał American Solar Challenge. W tym wydarzeniu pojazd przejechał 2700 km, korzystając wyłącznie z energii słonecznej, wykazując ważny kompromis między różnymi wyborami projektowymi. Wśród nich szczególną uwagę zwrócono na poszukiwanie efektywnych rozwiązań konstrukcyjnych dla układów zawieszenia. Ogólny kształt pojazdu pokazano na rysunku 1, gdzie lokalizacja układów zawieszenia jest widoczna w przezroczystości.
W celu uzyskania dodatkowych szczegółów, proces projektowania podwozia pojazdu pokazano w . Całe nadwozie pojazdu zostało wykonane w autoklawie w technologii CFRP/polimerowej kanapki o strukturze plastra miodu, natomiast wszystkie pozostałe elementy mechaniczne składają się z laminatów CFRP.
Odmiennie od większości zastosowań inżynierskich, w przypadku pojazdów biorących udział w zawodach, główne kierunki projektowania dyktowane są przez przepisy wyścigu, do którego są przeznaczone (np. ). Wymagania te, w szczególności, dotyczą takich aspektów jak wymiary gabarytowe, bezpieczeństwo, widoczność, właściwości jezdne oraz charakterystyka paneli słonecznych i akumulatorów. Wszystkie te ograniczenia techniczne, w połączeniu z ogólnym celem projektowym, jakim było zmniejszenie zużycia energii, doprowadziły, w odniesieniu do aspektów mechanicznych i strukturalnych, do optymalizacji aerodynamicznej i uzyskania masy całkowitej samochodu niższej niż 330 kg. Dodając 320 kg, czyli standardową wagę czterech pasażerów, całkowite obciążenie czterech zawieszeń wyniosło 650 kg.
System zawieszenia jest jedyną ruchomą częścią pojazdu w naszym przypadku, ponieważ silniki elektryczne znajdują się w tylnych kołach, więc nie ma wałów transmisyjnych lub różnicowych jest potrzebne.
Ogólnie rzecz biorąc, zawieszenie samochodu jest zespół dźwigni i elastycznie odkształcalne elementy, które, poprzez ograniczenie nieresorowanych mas z zawieszonych mas, ma funkcję utrzymania ciała w zawieszeniu realizacji z góry określony rozkład zmiennych sił-niespójne siły na koła zarówno w trakcji i zakrętów i hamowania i zmniejszenie wstrząsów przekazywanych po przejściu pojazdu na asfalt drogi. Zawieszenie, zatem obejmuje wszystkie te części, które łączą koła z ramą. Ogólnie rzecz biorąc, składa się ono z trzech głównych części: konstrukcyjnej, sprężystej i tłumiącej (która w naszym przypadku nie jest skupiona w jednym elemencie). Część strukturalna jest zestaw dźwigni, które ma na celu prowadzenie zawieszenia i w konsekwencji koła w jego ruchu względem podwozia.
W szczególności, projekt wybrany dla przedniego zawieszenia, który jest przedmiotem niniejszego artykułu, jest pokazany na rysunku 2. Składa się on z zawieszenia wzdłużnego ramienia, odpowiednie dla długich prostych dróg, jak te napotkane w 3000 + km konkursów, z poprzecznym resorem piórowym, który ma również rolę antyroller, ponieważ jest on połączony z obu przednich kół.
Architektura zawieszenia obejmuje conrod załadowany w napięcie, które łączy górny wahacz kształtu lambda (lub górne ramię) do sprężyny piórowej. Zasadniczo, pojazd jest zawieszony na tym conrod, który przenosi obciążenie na element lambda, a następnie poprzez filar, do koła.
Ta conrod musi być bardzo mały, aby zmieścić się w schemacie zawieszenia, ale przede wszystkim, musi mieć kuliste połączenia na końcach, ponieważ kinematyka elementu lambda sprawia, że górny koniec conrod porusza się po okręgu w płaszczyźnie strzałkowej, podczas gdy dolny koniec porusza się na płaszczyźnie poprzecznej podczas odkształcenia sprężyny piórowej.
W następstwie tych rozważań zbadano i porównano różne możliwości, w tym zastosowanie taśm z polietylenu o bardzo dużej masie cząsteczkowej (nazwa handlowa Dyneema lub Spectra).
Właściwości mechaniczne włókien UHMWPE w temperaturze pokojowej są dość interesujące dla projektanta, w porównaniu do rozwiązań opartych na metalach lub kompozytach, a zastosowanie tych pasków polimerowych może prowadzić do uzyskania znacznie lżejszego i kompaktowego komponentu.
W rzeczywistości, przy gęstości 975 kg/m3, typowa przędza Dyneema ma moduł sprężystości 110 GPa i wytrzymałość na rozciąganie 3400 MPa .
Współcześnie, materiały te można znaleźć w wielu zastosowaniach sportowych wymagających lekkości i wytrzymałości, takich jak parasole, liny zawieszenia dla paralotni lub spadochronów oraz w olinowaniu stosowanym w żeglarstwie wyczynowym. Stosuje się je również w łucznictwie lub jako żyłki wędkarskie w postaci monofilamentów. Wreszcie znajdują zastosowanie we wspinaczce, także ze względu na odporność na ścieranie. Jeśli chodzi o zastosowania przemysłowe, włókna UHMWPE wykorzystywane są do produkcji lin i wyrobów powroźniczych stosowanych w morskim przemyśle naftowym i gazowym oraz morskim przemyśle przemysłowym. Ponadto, ich odporność na ścieranie i odporność chemiczna sprawiają, że liny te są atrakcyjną alternatywą dla metalowych drutów i kabli w środowiskach korozyjnych.
Włókna UHMWPE są również wykorzystywane jako komponent w żaglach o wysokiej wydajności, często w połączeniu z włóknem odpornym na pełzanie, takim jak węgiel lub Kevlar. Problem pełzania, tj. tendencji do zwiększania odkształcenia w czasie w obecności obciążenia statycznego, został po raz pierwszy rozważony w przypadku zastosowań biomechanicznych .
Ogólnie, dodatkowe procedury projektowe muszą być stosowane w celu zagwarantowania odporności na pełzanie i grzechotanie .
Grzechotanie jest definiowane jako postępująca akumulacja odkształcenia plastycznego w materiałach poddawanych cyklicznym obciążeniom kontrolowanym naprężeniem przy niezerowym naprężeniu średnim. Akumulacja ta postępuje wraz ze wzrostem liczby cykli, prowadząc prawdopodobnie do uszkodzenia.
Znaleziono bardzo ograniczoną liczbę odniesień dotyczących charakterystyki włókien lub taśm termoplastycznych poddanych obciążeniu zmęczeniowemu rozciągającemu.
Dostępne są pewne prace badawcze dotyczące zachowania się luźnego UHMWPE przy obciążeniu jednoosiowym lub dwuosiowym, z uwzględnieniem wpływu dodatków, w szczególności w zastosowaniach biomechanicznych, ale według wiedzy autorów w literaturze naukowej nie ma badań dotyczących zachowania się włókien, przędzy lub taśm UHMWPE przy obciążeniu dwuosiowym.
2. Materiały i Metody
W tym rozdziale szczegółowo przedstawiono wymagania dla możliwych rozwiązań konstrukcyjnych, w tym dla taśm UHMWPE. Dla tego materiału pokazano charakterystykę zapadkową i zaproponowano procedurę umożliwiającą jego zastosowanie w układzie zawieszenia.
Pręt musi przenosić statyczne obciążenie osiowe równe kontyngentowi masy pasażerów i samochodu, który naciska na określoną oś. Ponadto, jest on narażony na obciążenia dynamiczne wynikające z normalnych pionowych oscylacji, które występują podczas ruchu pojazdu i wreszcie na wstrząsy w wyniku uderzenia w przeszkody.
W odniesieniu do przedniego zawieszenia, gdzie znajdują się pręty, ocenia się, że obciążenie statyczne na pojedyncze koło wynosi 0,5 kN, gdy pojazd jest nieobciążony i 1 kN, gdy pojazd przewozi czterech pasażerów. Obciążenie dynamiczne jest wielokrotnością obciążenia statycznego i wynosi maksymalnie 2 kN w przypadku normalnej jazdy (obciążenie robocze) oraz maksymalnie 5 kN w przypadku wstrząsów (obciążenie w najgorszym przypadku). Wszystkie te siły obciążają drążki wyłącznie w trakcji.
Specyfikacje ujemnych i dodatnich skoków koła zostały wykorzystane do zaprojektowania sprężyny piórowej i nie mają znaczenia dla wyboru drążka, pod warunkiem, że jest on znacznie sztywniejszy od sprężyny piórowej.
Na rysunku 3 przedstawiono kinematykę zawieszenia, za pomocą dwóch skrajnych pozycji w widokach bocznych i czołowych.
Jednym z ogólnych wymagań stawianych temu elementowi jest to, aby był on komercyjny i ewentualnie certyfikowany na konkretne obciążenie. Wykluczyło to możliwość zastosowania elementu wykonanego z karbowanego drutu stalowego, który byłby bardzo skuteczny, ale nie są one dostępne dla tak dużych obciążeń przy małych wymiarach (poniżej 150 mm, wszystkie włącznie).
Odmiennie od rozwiązania metalowego, element polimerowy musi być oceniony pod względem zachowania lepkoplastycznego zależnego od czasu, co zostało opisane w następnym rozdziale.
2.1. Ocena odporności na pełzanie
Jak tylko masa pustego pojazdu na przednim zawieszeniu stanowiła bardzo mały ułamek obciążenia rozrywającego, ze względu na bliski termin pierwszego wyścigu pojazdu solarnego, zdecydowano się pominąć czasochłonną kampanię badań pełzania i komponenty poddano badaniom bezpośrednio w warunkach pełzania.
Próba cykliczna z kontrolowanym obciążeniem została przeprowadzona na serwohydraulicznej maszynie Instron 8033, wyposażonej w miernik siły 25 kN. Częstotliwość badań wynosiła 0,5 Hz, a stosunek obciążeń był zmienny, przy zachowaniu minimalnego obciążenia zawsze na poziomie 1 kN (co odpowiada kontyngentowi masy pojazdu i pasażerów na pojedynczym przednim kole). Na rysunku 4 można zobaczyć układ obciążający próbkę.
Przeprowadzono trzy rodzaje prób, wszystkie z sinusoidalnym obciążeniem cyklicznym, na trzech próbkach każda:(i)Próba krokowa do zerwania, w której, utrzymując stałe obciążenie minimalne na poziomie 1 KN, maksymalne obciążenie było zwiększane do 2 kN co 10 cykli(ii)Próba cykliczna w zakresie od 1 do 2 kN przez 10000 cykli przy częstotliwości 0.5 Hz, co odpowiada normalnym warunkom jazdy podczas wyścigu (iii) próba cykliczna od 1 do 5 kN przez 10000 cykli przy 0,5 Hz, co odpowiada najgorszym warunkom, z którymi należy się zmierzyć bardzo ograniczoną liczbę razy (10-20) podczas wyścigu. Następnie, okres odpoczynku 7 dni przy stałym obciążeniu 1 kN. Następnie, na tym samym pręcie, przeprowadzono próbę cykliczną pomiędzy 1 a 2 kN przez 10000 cykli przy 0,5 Hz
3. Wyniki i Dyskusja
3.1. Konstrukcja prętów: Conventional Design by Aluminum Rods and Spherical Connections
Oczywistym rozwiązaniem komercyjnym jest pręt aluminiowy z dwoma połączeniami kulistymi, jak widać na rysunku 5, który jest obliczany zgodnie z ISO 12240-4 z katalogu dostępnego np. w . Uwzględnienie powyższych obciążeń prowadzi do wyboru pary komercyjnych głowic kulistych, wybranych spośród typów przedstawionych w tabeli 1, połączonych aluminiowym słupem. Całkowita minimalna długość () pręta staje się w zakresie od 78 do 108 mm, a całkowita waga w zakresie od 26 do 52 gramów plus kilka gramów wagi filaru aluminiowego.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Sztywność pręta jest zdominowana przez część aluminiową, ale nie stanowi to problemu, gdyż wkrótce jest ona znacznie wyższa od sprężystej.
Z drugiej strony w tym przypadku minimalna długość jest zdeterminowana przez geometrię główki, a ponadto średnica główki z jednej strony może być zbyt duża, aby zmieścić się w sprężynie piórowej, a z drugiej strony średnica sworznia łączącego () jest ograniczona do 6 mm ze względu na wielkość otworu w główce. Może to stanowić problem w połączeniu z elementem lambda ze względu na duże naciski kontaktowe na warstwy CFRP.
3.2. Unconventional Design by Polymeric Elements
Po tych rozważaniach zbadano możliwość zastosowania komercyjnego elementu polimerowego. Testowano liny kevlarowe o średnicy 12 mm i wytrzymałości nominalnej 20 kN, jednak ich zaciskanie powodowało te same problemy, które występują w przypadku drutów metalowych, a wykonywanie węzłów prowadziło do gwałtownego (i trudnego do przewidzenia) obniżenia wytrzymałości nominalnej, eliminując w ten sposób przewagę elementu komercyjnego. Na rysunku 6 pokazano wpływ różnych typów węzłów na quasistatyczne zachowanie się liny. Można zauważyć, że zaciśnięcie węzła powoduje ogromne przemieszczenia przy bardzo ograniczonym obciążeniu. W żadnym przypadku wytrzymałość końcowa nie jest zbliżona do nominalnej, a także ogólna sztywność nie jest odpowiednia dla danego zastosowania.
W końcu jako możliwe rozwiązanie zidentyfikowano taśmę zszywaną z Dyneemy używaną do wspinaczki górskiej i posiadającą oznaczenie certyfikatu CE na 22 kN, pokazaną na Rysunku 7.
3.3. Zachowanie grzechotkowe
Na rysunku 8 pokazano typowy wynik próby krokowej. Widoczne jest zachowanie zapadkowe, bardziej widoczne w pierwszych cyklach, odpowiadające niższym obciążeniom. Obciążenie niszczące jest wyższe niż obciążenie certyfikowane i odpowiada przemieszczeniu o 14 mm.
Rysunek 9 przedstawia maksymalne, w kolorze czerwonym, i minimalne przemieszczenie, w kolorze niebieskim, odpowiadające odpowiednio maksymalnemu (5 kN) i minimalnemu (1 kN) obciążeniu w cyklu.
Można wykazać, że po gwałtownym wzroście w pierwszych cyklach, efekt grzechotania ma tendencję do spowolnienia.
Na rysunku 10 pokazano typowe wyniki trzech testów (zauważ, że w tym przypadku liczba cykli jest w skali logarytmicznej). Można docenić stabilizujący wpływ wcześniejszego obciążenia 1-5 kN na próbki obciążone 1-2 kN. Tak więc, wstępnie obciążone taśmy zaczynają się od długości o 2,6 mm większej niż długość próbki handlowej, ale zachowanie zapadkowe spowodowane obciążeniem użytkowym (1-2 kN) jest drastycznie zredukowane. Można to wyjaśnić dwoma różnymi zjawiskami, które zachodzą podczas obciążania w zakresie od 1 do 5 kN w dwóch różnych skalach wymiarowych. Na poziomie molekularnym, długie łańcuchy polietylenowe pojedynczej nici ustawiają się wzdłuż kierunku obciążenia. Natomiast na poziomie mikroskopowym sploty wątku i osnowy taśmy ulegają zagęszczeniu i wyrównaniu wzdłuż kierunku obciążenia, jak pokazano na skaningowych mikrografach elektronowych na rysunku 11, na których porównano taśmy dziewicze i poddane treningowi.
(a)
(b)
(a)
(b)
Wyniki pokazują, że możliwe jest zastosowanie pręta UHMWPE, z zachowaniem ostrożności polegającej na przeszkoleniu go przed montażem przy większym obciążeniu niż nominalne, w celu zarejestrowania zawieszenia o odpowiedniej długości początkowej.
Sugerowany protokół treningowy jest następujący:(i)sprawdź, czy maksymalne najgorsze obciążenie jest mniejsze niż maksymalne obciążenie znamionowe podzielone przez odpowiedni współczynnik bezpieczeństwa (im wyższy współczynnik bezpieczeństwa, tym mniejsze rozciąganie taśmy w fazie treningu)(ii)zastosuj maksymalne najgorsze obciążenie przez liczbę cykli spójną z czasem trwania misji komponentu, z realistyczną częstotliwością(iii)utrzymuj statycznie pręt na minimalnym poziomie obciążenia cyklicznego przez tyle samo czasu treningu cyklicznego(iv)zmierz długość pręta, aby dostosować ustawienie montażowe
4. Wnioski
Przedstawiono projekt drążka do lekkiego zawieszenia pojazdu. Przeprowadzono analizę możliwych rozwiązań konstrukcyjnych, tj, konwencjonalnego pręta metalowego z komercyjnymi połączeniami sferycznymi oraz komercyjnego elementu polimerowego z UHMWPE, wykazała, że ten ostatni może zapewnić pewne przewagi konkurencyjne, w zakresie masy i zredukowanych wymiarów.
Niemniej jednak stwierdzono, że w tym przypadku, zachowanie pełzające i zapadkowe może stanowić problem, ze względu na dwa główne mechanizmy: ułożenie na poziomie molekularnym długich łańcuchów polietylenowych oraz zagęszczenie i ułożenie w kierunku obciążenia splotów wątku i osnowy taśmy na poziomie mikroskopowym.
Właściwe cykliczne mechaniczne badania doświadczalne wykazały, że po zastosowaniu obciążenia roboczego i obciążenia w najgorszym przypadku, wydłużenie pręta przy obciążeniu 1 kN wynosiło odpowiednio 2 i 3,2 mm.
Stosując określony protokół treningowy, uzyskano pełną stabilizację pręta w odniesieniu do zapadki, z niewielkim wydłużeniem, które należy wziąć pod uwagę, w odniesieniu do komponentów nie poddanych treningowi.
Wyszkolone pręty UHMWPE zostały zakwalifikowane do zawieszenia za pomocą wspomnianych testów, zarówno w odniesieniu do maksymalnego obciążenia, jak i stabilności wymiarowej, i zostały faktycznie zamontowane na pojeździe klasy Cruiser “Emilia 4”, który wygrał edycję 2018 amerykańskiego Solar Challenge.
Dostępność danych
Dane eksperymentalne wykorzystane do poparcia wyników tego badania są dostępne na żądanie od autora odpowiadającego.
Konflikty interesów
Autorzy oświadczają, że nie mają konfliktów interesów.
Podziękowania
Badania te były wspierane przez Onda Solare Solar Car Association. Specjalne podziękowania dla Any Pavlovic, Giacomo Baschetti i Davide Peghetti za ich osobisty wkład. Badania te zostały sfinansowane przez włoskie Ministerstwo Spraw Zagranicznych i Współpracy Międzynarodowej (MAECI) w ramach Wspólnych Projektów Badawczych o Szczególnym Znaczeniu, z projektem o nazwie “Dwa fotele dla samochodu solarnego” w ramach Programu Wykonawczego Współpracy między Włochami a Serbią w dziedzinie nauki i technologii.
.