Abstract

Polietilena cu greutate moleculară foarte mare (UHMWPE) este un subgrup al polietilenei termoplastice caracterizat de lanțuri extrem de lungi și, ca rezultat, un material foarte dur și rezistent. Datorită proprietăților mecanice specifice remarcabile, utilizarea sa este extinsă treptat la multiple domenii de aplicare. Acest studiu descrie, poate pentru prima dată, modul în care UHMWPE poate reprezenta o soluție materială valabilă în proiectarea și optimizarea suspensiilor pentru uz auto, în special în cazul vehiculelor extrem de ușoare, cum ar fi mașinile solare. În special, în acest studiu de proiectare, tijele UHMWPE au permis asigurarea unor traiectorii cinematice, funcționalități și performanțe generale specifice în cadrul unor sisteme de suspensie extrem de ușoare, dezvoltate pentru un vehicul solar inovator cu mai mulți ocupanți. Aceste tije au redus greutatea cu 88% față de soluțiile clasice de proiectare cu funcții similare, oferind, în același timp, rigiditate și precizie ridicată în mișcări. O campanie experimentală a fost realizată pentru a evalua comportarea la clichet și alte proprietăți mecanice necesare pentru o proiectare și utilizare corespunzătoare.

1. Introducere

În unele aplicații de vârf ale ingineriei structurale, cum ar fi proiectarea vehiculelor alimentate cu energie solară, proiectantul trebuie să utilizeze materiale cu rigiditate specifică și rezistență specifică cât mai mare pentru a obține o greutate minimă.

Vehiculele solare sunt prototipuri inovatoare destinate să ruleze în curse lungi în condiții extreme, cum ar fi, de exemplu, drumurile însorite și nesfârșite din deșertul australian din cadrul World Solar Challenge . Reducerea la minimum a greutății permite, împreună cu alte detalii tehnice și trucuri de inginerie, să îmbunătățească eficiența energetică a vehiculului care reprezintă un factor cheie pentru un prototip solar de succes. Din perspectiva proiectării unui sistem de suspensie pentru această aplicație și în afară de orice altă considerație proprie proiectării tradiționale a unui automobil, proiectantul trebuie să acționeze cu o grijă extremă pentru a reduce orice fel de disipări de energie.

Prin urmare, mașina trebuie să ruleze stabil pe asperitățile drumului, vibrațiile trebuie să fie minime, iar inerția în ceea ce privește schimbările de viteză și direcție trebuie să fie limitată. Aceasta înseamnă, în practică, că proiectarea trebuie să fie directă către suspensii rigide, ușoare și precise. Posibilitatea de a obține aceste rezultate este, de asemenea, legată de alegerea materialului.

Considerarea binecunoscutelor diagrame Ashby duce la concluzia că alegerea ar trebui să se limiteze la sandvișuri din plastic ranforsat cu fibră de carbon (CFRP), în prezența unei sarcini de încovoiere sau pentru absorbția de energie, și la laminate în celelalte cazuri, cu posibilitatea de a folosi metale acolo unde alte condiții pot sugera să nu se folosească materiale compozite (de exemplu, tensiuni de contact ridicate, sarcini transversale și expunere). În cazuri foarte specifice, în care există constrângeri geometrice sau funcționale, cum ar fi în cazul sistemului de suspensie, alte tipuri de materiale, cum ar fi polimerii de înaltă performanță, pot fi luate în considerare de către proiectant.

Studiile prezentate în au fost preliminare pentru proiectarea unei suspensii complete din CFRP pentru vehiculul solar numit Emilia 4, o mașină solară cu mai mulți pasageri, proiectată și dezvoltată de Universitatea din Bologna în colaborare cu Asociația Onda Solare Solar Car. Acest vehicul aparține clasei Cruiser, în conformitate cu regulamentul World Solar Challenge și este un prototip de cursă cu patru locuri. Modelul mașinii a fost prezentat în iunie 2018 și a câștigat American Solar Challenge în iulie 2018. În cadrul acestui eveniment, vehiculul a parcurs 2700 km cu ajutorul exclusiv al energiei solare, demonstrând un compromis valabil între diferitele opțiuni de proiectare. Printre acestea, o atenție deosebită a fost acordată căutării unor soluții de proiectare eficiente pentru sistemele de suspensie. Forma generală a vehiculului este prezentată în figura 1, unde amplasarea sistemelor de suspensie este vizibilă în transparență.

Figura 1

Cruiserul solar Emilia 4.

Pentru detalii suplimentare, procesul de proiectare a șasiului mașinii este prezentat în . Întreaga caroserie a autovehiculului a fost realizată în autoclav cu ajutorul unui sandwich CFRP/polimeric în formă de fagure de miere, în timp ce toate celelalte componente mecanice sunt formate din laminate CFRP.

Diferit de majoritatea aplicațiilor inginerești, în cazul vehiculelor de competiție, principalele direcții de proiectare sunt dictate de regulile cursei căreia îi sunt destinate (de exemplu, ). Aceste cerințe privesc, în special, aspecte precum dimensiunile generale, siguranța, vizibilitatea, manevrabilitatea, precum și caracteristicile panourilor solare și ale bateriilor. Toate aceste constrângeri tehnice, împreună cu obiectivul general de proiectare de reducere a consumului de energie, au condus, în ceea ce privește aspectele mecanice și structurale, la optimizarea aerodinamică și la o greutate totală a mașinii mai mică de 330 kg. Adăugând 320 kg, care reprezintă greutatea standard a patru pasageri , sarcina totală pe cele patru suspensii a fost de 650 kg.

Sistemul de suspensie este singura parte mobilă a vehiculului în cazul nostru, deoarece motoarele electrice sunt amplasate în interiorul roților din spate, astfel încât nu este nevoie de arbori de transmisie sau diferențial.

În general, suspensia unui autoturism este ansamblul de pârghii și elemente elastice deformabile care, prin constrângerea maselor nesuspendate cu masele suspendate, are rolul de a menține caroseria în suspensie de a realiza o repartiție prestabilită a forțelor variabile – forțe insistente pe roți atât la tracțiune, cât și în viraje și la frânare – și de a reduce șocurile transmise în urma trecerii vehiculului pe asperitățile drumului. Prin urmare, suspensia include toate acele părți care leagă roțile de cadru. În general, aceasta este formată din trei părți principale: o parte structurală, o parte elastică și o parte de amortizare (care, în studiul nostru de caz, nu este concentrată într-un singur element). Partea structurală este un set de pârghii care are rolul de a ghida suspensia și, în consecință, roata în mișcarea sa în raport cu șasiul.

În special, designul ales pentru suspensia față, care este punctul central al acestei lucrări, este prezentat în figura 2. Acesta constă într-o suspensie cu brațe longitudinale, potrivită pentru drumuri lungi și drepte, cum sunt cele întâlnite în competițiile de peste 3000 km, cu un arc cu lamă transversală care are și rol antiruliu, deoarece este unit cu ambele roți frontale.

Figura 2

Desenul suspensiei față cu tija reprezentată cu roșu.

Arhitectura suspensiei cuprinde o bielă încărcată la tracțiune care leagă brațul superior de formă lambda (sau brațul superior) de balama. Practic, vehiculul este suspendat de acea bielă care transferă sarcina către elementul lambda și apoi, prin intermediul unui montant, către roată.

Această bielă trebuie să fie foarte mică pentru a se încadra în schema de suspensie, dar mai ales trebuie să aibă articulații sferice la capetele sale, deoarece cinematica elementului lambda face ca capătul superior al bielii să se deplaseze pe un cerc în plan sagital, în timp ce capătul inferior se deplasează în plan transversal în timpul deformării arcului cu foaie.

În urma acestor considerații, au fost studiate și comparate diferite posibilități, inclusiv utilizarea benzilor de polietilenă cu greutate moleculară ultraînaltă (denumire comercială Dyneema sau Spectra).

Proprietățile mecanice ale fibrelor UHMWPE la temperatura camerei sunt destul de interesante pentru proiectant, în comparație cu soluțiile pe bază de metal sau compozite, iar utilizarea acestor benzi polimerice poate conduce la o componentă mult mai ușoară și compactă.

De fapt, cu o densitate de 975 kg/m3, un fir tipic de Dyneema are un modul de elasticitate de 110 GPa și o rezistență la tracțiune de 3400 MPa .

În prezent, aceste materiale se regăsesc în multe aplicații sportive care necesită greutate redusă și rezistență, cum ar fi parașutele, parâmele de suspensie pentru parapante sau parașute, precum și în armamentul folosit în navigația de competiție. Ele sunt, de asemenea, utilizate în tirul cu arcul sau ca linii de pescuit sportiv sub formă de monofilamente. În cele din urmă, sunt utilizate în alpinism, de asemenea datorită rezistenței lor la abraziune. În ceea ce privește aplicațiile industriale, fibrele UHMWPE sunt folosite pentru produse de frânghii și cordoane utilizate în industria petrolieră și gazieră offshore și în industria marină industrială. Mai mult decât atât, rezistența lor la abraziune și la substanțe chimice fac din aceste frânghii alternative atractive la firele și cablurile metalice în medii corozive.

Fibrele UHMWPE sunt, de asemenea, utilizate ca o componentă în vele de înaltă performanță, adesea asociate cu o fibră rezistentă la fluaj, cum ar fi carbonul sau Kevlarul. Problema fluajului, adică tendința de a avea o deformare crescândă în timp în prezența unei sarcini statice, a fost luată în considerare pentru prima dată în cazul aplicațiilor biomecanice.

În general, trebuie utilizate proceduri suplimentare de proiectare pentru a garanta rezistența la fluaj și la ratare.

Ratajarea este definită ca fiind acumularea progresivă de deformare plastică în materialele supuse la o încărcare ciclică controlată de tensiune cu o tensiune medie diferită de zero. Această acumulare avansează pe măsură ce numărul de cicluri crește, conducând eventual la rupere.

Se poate găsi un număr foarte limitat de referințe privind caracterizarea fibrelor sau benzilor termoplastice la încărcarea la oboseală prin tracțiune-întindere.

Sunt disponibile câteva studii de cercetare privind comportamentul de ratragere al UHMWPE vrac sub sarcină uniaxială sau biaxială, luând în considerare, de asemenea, efectul aditivilor, în special pentru aplicații biomecanice, dar, după știința autorilor, nu există studii în literatura științifică privind comportamentul de ratragere al fibrelor, firelor sau benzilor de UHMWPE.

2. Materiale și metode

În această secțiune, sunt detaliate cerințele pentru posibilele soluții de proiectare, inclusiv benzile din UHMWPE. Pentru acest material, se prezintă caracterizarea cu clichet și se propune o procedură care să permită utilizarea sa în sistemul de suspensie.

Tigla trebuie să suporte o sarcină axială statică egală cu cota din greutatea pasagerilor și a mașinii care insistă pe axa specifică. În plus, ea este supusă unor sarcini dinamice datorate oscilațiilor verticale normale care se produc în timpul deplasării vehiculului și, în final, unor șocuri ca urmare a impactului cu obstacolele.

În ceea ce privește suspensia față, unde sunt amplasate tijele, se evaluează că sarcina statică pe o singură roată este de 0,5 kN când vehiculul este descărcat și de 1 kN când vehiculul transportă patru pasageri. Sarcina dinamică este considerată un multiplu al celei statice și este stabilită la 2 kN maxim pentru condusul normal (sarcină de lucru) și la 5 kN maxim în caz de șoc (sarcină în cel mai rău caz). Toate aceste forțe încarcă tijele exclusiv în tracțiune.

Specificațiile curselor negative și pozitive ale roții au fost folosite la proiectarea arcului cu lamă și nu sunt importante pentru alegerea tijei, cu condiția ca aceasta să fie semnificativ mai rigidă decât arcul cu lamă.

În figura 3 este prezentată cinematica suspensiei, prin intermediul celor două poziții extreme în vedere laterală și frontală.

Figura 3

Schematică a cinematicii suspensiei, tija este reprezentată cu roșu.

O cerință generală pentru acest element este să fie comercial și eventual certificat pentru o anumită sarcină. Acest lucru a exclus posibilitatea de a utiliza un element realizat din sârmă de oțel ondulată care ar fi fost foarte eficient, dar acestea nu sunt disponibile pentru sarcini atât de mari în dimensiuni mici (mai mici de 150 mm, toate incluse).

Diferit de soluția metalică, o componentă polimerică trebuie evaluată în ceea ce privește comportamentul viscoplastic în funcție de timp care este ceea ce este descris în secțiunea următoare.

2.1. Evaluarea cu clichet

De îndată ce greutatea vehiculului gol pe suspensia din față reprezintă o fracțiune foarte mică din sarcina de rupere, datorită iminenței primei curse a vehiculului solar, s-a decis să se renunțe la o campanie de testare a fluajului care necesită mult timp și componentele au fost testate direct în condiții de clichet.

S-a efectuat o testare ciclică cu sarcină controlată pe o mașină servohidraulică Instron 8033, echipată cu o celulă de sarcină de 25 kN. Frecvența a fost de 0,5 Hz, iar raportul de sarcină a fost variabil, dar păstrând întotdeauna sarcina minimă la 1 kN (corespunzând unei cote din greutatea vehiculului și a pasagerilor pe o singură roată din față). În figura 4 se poate vedea sistemul de încărcare a epruvetelor.

Figura 4

Epruvetă polimerică montată pe mânere și încărcată la tracțiune.

Au fost efectuate trei tipuri de încercări, toate cu încărcare ciclică sinusoidală, pe câte trei epruvete:(i)Încercare în trepte până la rupere, în care, menținând constantă sarcina minimă la 1 KN, sarcina maximă a fost ridicată la 2 kN la fiecare 10 cicluri(ii)Încercare ciclică între 1 și 2 kN pentru 10000 de cicluri la 0.5 Hz, care reprezintă condiția normală de conducere în timpul cursei(iii)Încercare ciclică între 1 și 5 kN pentru 10000 de cicluri la 0,5 Hz, care reprezintă cea mai nefavorabilă condiție cu care trebuie să se confrunte un număr foarte limitat de ori (10-20) în timpul cursei. Apoi, o perioadă de repaus de 7 zile la o sarcină constantă de 1 kN. După aceea, pe aceeași tijă, un test ciclic între 1 și 2 kN pentru 10000 de cicluri la 0,5 Hz

3. Rezultate și discuții

3.1. Proiectarea tijei: Proiectarea convențională prin tije de aluminiu și conexiuni sferice

Soluția comercială evidentă este o tijă de aluminiu cu două conexiuni sferice, așa cum se poate vedea în figura 5, care se calculează conform ISO 12240-4 din catalogul disponibil, de exemplu, în . Luând în considerare sarcinile menționate mai sus, se ajunge la un cuplu de capete sferice comerciale, alese dintre tipurile prezentate în tabelul 1, unite printr-un pilon de aluminiu. Lungimea totală minimă () a tijei devine cuprinsă între 78 și 108 mm, iar greutatea totală între 26 și 52 grame, plus câteva grame din greutatea pilonului de aluminiu.

Figura 5

Soluție metalică convențională.

Tip . (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) l2 (mm) (mm) (mm) Dinamic (kN) Carcină statică (kN) Greutate (g) Oțel pe bronz 18 M6x1 30 13 39 9 9 4.3 5.3 26 Oțel pe oțel 21 M5x0.8 30 11 42 6 3.4 8.1 13 Oțel pe metal/PTFE 20 M6x1 30 25 54 9 4.3 5.3 21 Oțel pe PTFE 18 M6x1 36 22 45 9 4.3 5.3 19

Tabelul 1

Conexiuni sferice comerciale posibile.

Rigiditatea tijei este dominată de cea a piesei de aluminiu, dar nu este o problemă, deoarece de îndată ce este mult mai mare decât cea a arcului.

Pe de altă parte, în acest caz, lungimea minimă este determinată de geometria capului și, de asemenea, diametrul capului dintr-o parte poate fi prea mare pentru a se potrivi în arcul cu lamă, iar din cealaltă parte, diametrul știftului de conectare () este limitat la 6 mm din cauza dimensiunii orificiului capului. Acest lucru ar putea reprezenta o problemă la conectarea la elementul lambda din cauza presiunilor de contact ridicate asupra pliurilor de CFRP.

3.2. Proiectare neconvențională prin elemente polimerice

În urma acestor considerații, a fost investigată posibilitatea de a utiliza un element polimeric comercial. Au fost testate frânghii din kevlar cu diametrul de 12 mm și rezistența nominală de 20 kN, dar sertizarea a întâmpinat aceleași probleme întâlnite în cazul firelor metalice, iar realizarea nodurilor conduce la o reducere bruscă (și greu de prevăzut) a rezistenței nominale , eliminând în acest fel avantajul elementului comercial. În figura 6, este prezentat efectul diferitelor tipuri de noduri asupra comportamentului cvasi-static al cablului. Se poate observa că strângerea nodurilor este responsabilă de deplasări uriașe cu o sarcină foarte limitată. În nici un caz, rezistența limită de rupere nu este apropiată de cea nominală și, de asemenea, rigiditatea generală nu este adecvată pentru aplicație.

Figura 6

Comportamentul mecanic al unei frânghii de Kevlar cu diferite tipuri de noduri.

În cele din urmă, a fost identificată ca posibilă soluție o bandă cusută Dyneema utilizată pentru alpinism și clasificată cu marcaj de certificare CE pentru 22 kN, prezentată în figura 7.

Figura 7

Fâșie comercială Dyneema cusută clasificată la 22 kN.

Indeosebi, lungimea minimă este de 100 mm, greutatea este de 6 grame, lățimea este de 10 mm, iar diametrul capului este egal cu diametrul știftului plus de două ori grosimea benzii, adică 2 mm. Aceste benzi pot fi conectate la arcul cu lamă și la elementul superior lambda prin intermediul unor știfturi de 12 mm, ceea ce conduce la o presiune de contact destul de redusă asupra compozitului.

3.3. Comportamentul de clichet

În figura 8, este prezentat un rezultat tipic al testului în trepte. Se poate observa un comportament de șicanare, mai evident în primele cicluri, care corespunde sarcinilor mai mici. Sarcina de rupere este mai mare decât sarcina certificată și corespunde unei deplasări de 14 mm.

Figura 8

Rezultatele testului în trepte.

Figura 9 prezintă deplasarea maximă, în roșu, și deplasarea minimă, în albastru, corespunzătoare sarcinii maxime (5 kN) și, respectiv, minime (1 kN) din cadrul ciclului.

Figura 9

Rezultatele încercării de clichetare 1-5 kN.

Se poate arăta că, după o creștere bruscă în primele cicluri, efectul de clichetare tinde să încetinească.

În figura 10 sunt prezentate rezultatele tipice ale celor trei încercări (a se observa că, în acest caz, numărul de cicluri este pe o scară logaritmică). Este posibil să se aprecieze efectul de stabilizare asupra epruvetelor încărcate la 1-2 kN a unei încărcări anterioare de 1-5 kN. Astfel, benzile preîncărcate pornesc de la o lungime cu 2,6 mm mai mare decât cea din comerț, dar comportamentul de zdruncinare datorat încărcăturii de serviciu (1-2 kN) este drastic redus. Acest lucru poate fi explicat prin două fenomene diferite care au loc în timpul încărcării între 1 și 5 kN la două scări dimensionale diferite. La nivel molecular, lanțurile lungi de polietilenă ale firului unic se aliniază de-a lungul direcției de încărcare. În timp ce la nivel microscopic, firele din trama și urzeala benzii se compactează și se aliniază de-a lungul direcției de încărcare, așa cum se arată în micrografiile electronice de scanare din figura 11, unde sunt comparate benzile virgine și cele antrenate.

Figura 10

Rezultatele testului de tracțiune în diferite secvențe de încărcare.

(a)

(b)

.
(a)
(b)

Figura 11

Imagini la microscopul electronic cu scanare: (a) epruvetă virgină, (b) epruvetă după un test de 1-5 kN.

Rezultatele arată că este posibilă utilizarea tijei din UHMWPE, cu precauția de a o antrena înainte de montare la o sarcină mai mare decât cea nominală, pentru a înregistra suspensia cu lungimea inițială corectă.

Protocolul de antrenament sugerat este următorul:(i)verificați că sarcina maximă în cazul cel mai defavorabil este mai mică decât sarcina nominală maximă împărțită la un factor de siguranță adecvat (cu cât factorul de siguranță este mai mare, cu atât mai mică este întinderea benzii în faza de antrenament)(ii)aplicați sarcina maximă în cazul cel mai defavorabil pentru un număr de cicluri coerent cu durata misiunii componentei, la o frecvență realistă(iii)mențineți tija statică la nivelul minim al sarcinii ciclice pentru aceeași perioadă de timp a antrenamentului ciclic(iv)măsurați lungimea tijei pentru a adapta montajul de montare

4. Concluzii

A fost prezentată proiectarea unei tije pentru o suspensie ușoară de vehicul. Analiza soluțiilor posibile de proiectare, și anume:, o tijă metalică convențională cu conexiuni sferice din comerț și un element polimeric UHMWPE din comerț, a arătat că acesta din urmă a fost capabil să ofere unele avantaje competitive, în ceea ce privește greutatea și dimensiunile reduse.

Cu toate acestea, s-a constatat că, în acest caz, comportamentul de fluaj și de zvâcnire ar putea reprezenta o problemă, din cauza a două mecanisme principale: alinierea la nivel molecular a lanțurilor lungi de polietilenă și compactarea și alinierea în direcția sarcinii a firelor de urzeală și de bătătură ale benzii la nivel microscopic.

Testele experimentale mecanice ciclice adecvate au demonstrat că, după aplicarea sarcinii de lucru și a celei mai nefavorabile, alungirea tijei la o sarcină de 1 kN a fost de 2 și, respectiv, 3,2 mm.

Prin aplicarea unui protocol de dresaj specific, s-a obținut o stabilizare completă a tijei în ceea ce privește zdruncinarea, cu o ușoară alungire, care trebuie luată în considerare, în raport cu componentele neantrenate.

Tigele UHMWPE dresate au fost calificate pentru suspensie prin intermediul testelor menționate, atât în ceea ce privește sarcina maximă, cât și stabilitatea dimensională, și au fost montate efectiv pe vehiculul Cruiser-Class “Emilia 4” care a câștigat ediția 2018 a American Solar Challenge.

Disponibilitatea datelor

Datele experimentale folosite pentru a susține concluziile acestui studiu sunt disponibile la cerere la autorul corespondent.

Conflicte de interese

Autorii declară că nu au conflicte de interese.

Recunoștințe

Acest studiu a fost susținut de Asociația Autovehicule Solare Onda Solare. În cele din urmă, mulțumiri speciale pentru Ana Pavlovic, Giacomo Baschetti și Davide Peghetti pentru contribuțiile lor personale. Această cercetare a fost finanțată de Ministerul Afacerilor Externe și Cooperării Internaționale din Italia (MAECI) prin intermediul proiectelor comune de cercetare de importanță deosebită, cu un proiect intitulat “Două locuri pentru o mașină solară” în cadrul Programului executiv de cooperare între Italia și Serbia în domeniul științei și tehnologiei.

.