Abstract

Ultra högmolekylära polyeten (UHMWPE) är en undergrupp av termoplastisk polyeten som kännetecknas av extremt långa kedjor och därmed ett mycket tufft och motståndskraftigt material. På grund av de anmärkningsvärda specifika mekaniska egenskaperna utvidgas användningen gradvis till flera olika användningsområden. I denna studie beskrivs, kanske för första gången, hur UHMWPE kan utgöra en giltig materiallösning vid utformning och optimering av upphängningar för fordonsanvändning, särskilt när det gäller extremt lätta fordon, t.ex. solcellsbilar. I den här konstruktionsstudien har UHMWPE-stängerna gjort det möjligt att säkerställa specifika kinematiska banor, funktioner och övergripande prestanda i ett exceptionellt lätt fjädringssystem som utvecklats för ett innovativt solcellsfordon för flera personer. Stängerna minskade vikten med 88 % jämfört med klassiska konstruktionslösningar med liknande funktioner, samtidigt som de gav hög styvhet och noggrannhet i rörelserna. En experimentell kampanj genomfördes för att utvärdera spärrbeteendet och andra mekaniska egenskaper som krävs för en korrekt utformning och användning.

1. Introduktion

I vissa banbrytande konstruktionstillämpningar, som t.ex. utformningen av solenergidrivna fordon, måste konstruktören använda material med högsta möjliga specifika styvhet och specifika hållfasthet för att uppnå minsta möjliga vikt .

Solfordon är innovativa prototyper som är avsedda att köras i långa lopp under extrema förhållanden, som t.ex. de soliga och ändlösa australiensiska ökenvägarna i World Solar Challenge . Att minimera vikten gör det möjligt att, tillsammans med andra tekniska detaljer och ingenjörstricks, förbättra fordonets energieffektivitet, vilket är en nyckelfaktor för en framgångsrik solcellsprototyp. När det gäller utformningen av ett fjädringssystem för denna tillämpning och bortsett från alla andra överväganden som hör till den traditionella fordonsutformningen, måste konstruktören vara ytterst försiktig för att minska alla typer av energiförluster.

Därför måste bilen köras stabilt på vägbanan, vibrationerna måste vara minimala och trögheten med avseende på hastighets- och riktningsförändringar måste vara begränsad. Det innebär i praktiken att konstruktionen måste vara direkt inriktad på styva, lätta och precisa fjädringar. Möjligheten att uppnå dessa resultat hänger också samman med materialvalet.

Med tanke på de välkända Ashby-tabellerna kan man dra slutsatsen att valet bör begränsas till sandwichar av kolfiberförstärkt plast (CFRP) vid böjningsbelastning eller för energiabsorption, och laminat i övriga fall, med möjlighet att använda metaller där andra förhållanden kan tala emot att använda kompositmaterial (t.ex. höga kontaktspänningar, tvärgående belastning och exponering). I mycket specifika fall, där geometriska eller funktionella begränsningar föreligger, t.ex. i upphängningssystemet, kan andra typer av material, t.ex. högpresterande polymerer, beaktas av konstruktören.

Studierna som presenteras i var förberedande för konstruktionen av en fullständig CFRP-upphängning för solcellsfordonet Emilia 4, en solcellsbil med flera passagerare, som utformats och utvecklats av Bolognas universitet i samarbete med Onda Solare Solar Car Association. Fordonet tillhör Cruiser-klassen i enlighet med World Solar Challenge-reglerna och är en fyrsitsig tävlingsprototyp. Bilmodellen presenterades i juni 2018 och vann American Solar Challenge i juli 2018. I detta evenemang körde fordonet 2700 km med hjälp av enbart solenergi, vilket visar på en giltig kompromiss mellan de olika designvalen. Bland dem riktades särskild uppmärksamhet på att söka effektiva konstruktionslösningar för fjädringssystemen. Fordonets allmänna form visas i figur 1, där upphängningssystemens placering är synlig i transparens.

Figur 1

The Solar Cruiser Emilia 4.

För ytterligare detaljer visas designprocessen för bilens chassi i . Hela fordonskroppen tillverkades autoklav av en sandwich av CFRP/polymeriserad honungskaka, medan alla andra mekaniska komponenter består av CFRP-laminat.

Som skiljer sig från de flesta tekniska tillämpningar, när det gäller tävlingsfordon, dikteras de viktigaste konstruktionsriktningarna av reglerna för den tävling som de är avsedda för (t.ex.) Dessa krav gäller i synnerhet aspekter som övergripande dimensioner, säkerhet, synlighet, körbarhet och egenskaper hos solpaneler och batterier. Alla dessa tekniska begränsningar, tillsammans med det övergripande konstruktionsmålet att minska energiförbrukningen, ledde, när det gäller de mekaniska och strukturella aspekterna, till aerodynamisk optimering och till att bilens totalvikt var lägre än 330 kg. Om man lägger till 320 kg, som är standardvikten för fyra passagerare, var den totala belastningen på de fyra fjädringarna 650 kg.

Fjädringssystemet är den enda rörliga delen av fordonet i vårt fall, eftersom elmotorerna är placerade inne i bakhjulen, vilket innebär att det inte behövs några transmissionsaxlar eller differential.

I allmänhet är en bils fjädring en sammansättning av spakar och elastiskt deformerbara element som, genom att begränsa de ofjädrade massorna med de upphängda massorna, har till uppgift att hålla karossen upphängd att genomföra en förutbestämd fördelning av de variabla krafterna – bestående krafter på hjulen både vid dragning, kurvtagning och inbromsning – och att reducera de stötdämpande effekterna av att fordonet passerar på vägbanans asfalterade yta. Fjädringen omfattar därför alla de delar som förbinder hjulen med ramen. I allmänhet består den av tre huvuddelar: en strukturell del, en elastisk del och en dämpningsdel (som i vår fallstudie inte är koncentrerad till ett enda element). Den strukturella delen är en uppsättning spakar som har till uppgift att styra fjädringen och följaktligen hjulet i dess rörelse i förhållande till chassit.

Den utformning som valts för den främre fjädringen, som är i fokus för den här artikeln, visas i figur 2. Den består av en fjädring med längsgående armar, lämplig för långa raka vägar, som de som förekommer i tävlingar på över 3 000 km, med en tvärgående bladfjäder som också har en antirollfunktion eftersom den är kopplad till båda framhjulen.

Figur 2

Design av den främre upphängningen med stången avbildad i rött.

Arkitekturen för upphängningen omfattar en spänningsbelastad kuggelstång som förbinder den övre lambdaformade armen (eller övre armen) med bladfjädern. I grund och botten är fordonet upphängt till denna kägel som överför belastningen till lambdaelementet och sedan genom en pelare till hjulet.

Denna kägel måste vara mycket liten för att passa in i fjädringssystemet, men framför allt måste den ha sfäriska leder i sina ändar eftersom lambdaelementets kinematik gör att kägelns övre ände rör sig i en cirkel i sagittalplanet, medan den nedre änden rör sig i ett tvärgående plan under lövfjäderns deformation.

Efter dessa överväganden undersöktes och jämfördes olika möjligheter, bland annat användningen av remsor av polyeten med ultrahög molekylvikt (handelsnamn Dyneema eller Spectra).

UHMWPE-fiberns mekaniska egenskaper vid rumstemperatur är ganska intressanta för konstruktören, jämfört med metall eller kompositbaserade lösningar, och användningen av dessa polymerremsor kan leda till en mycket lättare och kompakt komponent.

Förresten, med en densitet på 975 kg/m3 har ett typiskt Dyneemagarn en elasticitetsmodul på 110 GPa och en draghållfasthet på 3 400 MPa .

Nuförtiden återfinns dessa material i många sporttillämpningar som kräver lätthet och styrka, t.ex. i parasegel, upphängningslinor för fallskärmar eller fallskärmar och i riggar som används vid tävlingssegling. De används också inom bågskytte eller som linor för sportfiske i form av monofilament. Slutligen används de vid klättring, även på grund av deras slitstyrka. När det gäller industriella tillämpningar används UHMWPE-fibrer för rep- och linprodukter som används inom olje- och gasindustrin till havs och inom den marina industrin. Dessutom gör deras nötningsbeständighet och kemiska motståndskraft dessa rep till attraktiva alternativ till metalltrådar och kablar i korrosiva miljöer.

UHMWPE-fibrer används också som en komponent i högpresterande segel, ofta tillsammans med en krypbeständig fiber, t.ex. kol eller Kevlar. Problemet med krypning, dvs. tendensen att ha en ökande deformation med tiden i närvaro av en statisk belastning, övervägdes först när det gäller biomekaniska tillämpningar .

I allmänhet måste ytterligare konstruktionsförfaranden användas för att garantera motståndskraften mot krypning och ratcheting .

Ratcheting definieras som den progressiva ackumuleringen av plastisk deformation i material som utsätts för spänningskontrollerad cyklisk belastning med en medelspänning som inte är lika med noll. Denna ackumulering fortskrider när antalet cykler ökar och leder eventuellt till brott.

Ett mycket begränsat antal referenser kan hittas om karakterisering av termoplastiska fibrer eller remsor vid utmattningsbelastning i drag- och sträckhållfasthet.

Det finns en del forskningsstudier om det ratchande beteendet hos UHMWPE i bulk under uniaxial eller biaxial belastning, där man även beaktar effekten av tillsatser, särskilt för biomekaniska tillämpningar, men såvitt författarna vet finns det inga studier i den vetenskapliga litteraturen om det ratchande beteendet hos UHMWPE-fibrer, -garner eller -remsor.

2. Material och metoder

I det här avsnittet beskrivs kraven för de möjliga konstruktionslösningarna i detalj, inklusive UHMWPE-remsor. För detta material visas karakteriseringen av ratcheting och ett förfarande som gör det möjligt att använda det i fjädringssystemet föreslås.

Stången måste bära en statisk axiell belastning som är lika med den kvot av passagerarnas och bilens vikt som insisterar på den specifika axeln. Dessutom utsätts den för dynamiska belastningar på grund av de normala vertikala svängningar som uppstår under fordonets rörelse och slutligen för stötar till följd av kollision med hinder.

För den främre upphängningen, där stängerna är placerade, bedöms den statiska belastningen per enskilt hjul vara 0,5 kN när fordonet är obelastat och 1 kN när fordonet transporterar fyra passagerare. Den dynamiska belastningen anses vara en multipel av den statiska och fastställs till max 2 kN vid normal körning (arbetsbelastning) och max 5 kN vid stöt (värsta belastning). Alla dessa krafter belastar stängerna uteslutande i dragkraft.

Specifikationerna för hjulets negativa och positiva slag användes för att konstruera bladfjädern och har ingen betydelse för valet av stång, förutsatt att den är betydligt styvare än bladfjädern.

I figur 3 visas fjädringens kinematik med hjälp av de två extremlägena i sido- och frontalvyer.

Figur 3

Schematisk bild av kinematiken för fjädringen, stången är avbildad i rött.

Ett generellt krav på detta element är att det ska vara kommersiellt och eventuellt certifierat för en specifik last. Detta uteslöt möjligheten att använda ett element av krusad ståltråd som skulle ha varit mycket effektivt, men de finns inte tillgängliga för så höga belastningar i små dimensioner (mindre än 150 mm, allt inräknat).

Som skillnad från metalllösningen måste en polymerkomponent bedömas med avseende på det tidsberoende viskoplastiska beteendet, vilket är vad som beskrivs i nästa avsnitt.

2.1. Ratcheting Assessment

Sedan det tomma fordonets vikt på den främre upphängningen representerar en mycket liten del av brottsbelastningen, på grund av den nära förestående första tävlingen med solfordonet, beslutades det att hoppa över en tidskrävande krypprovningskampanj och komponenterna testades direkt i ratcheting-förhållanden.

En belastningskontrollerad cyklisk provning utfördes på en servohydraulisk Instron 8033-maskin, utrustad med en 25 kN-belastningscell. Frekvensen var 0,5 Hz och belastningsförhållandet variabelt, men med en minsta belastning på alltid 1 kN (motsvarande en kvot av fordonets och passagerarnas vikt på ett enda framhjul). I figur 4 kan man se provbelastningssystemet.

Figur 4

Polymerprov monterat på greppen och belastat i spänning.

Tre typer av provningar utfördes, alla med sinusformig cyklisk belastning, på tre provkroppar vardera:(i)Stegprov till brott, där den minsta belastningen på 1 KN höjs till 2 kN var 10:e cykel, med bibehållen minsta belastning på 1 KN, och den maximala belastningen höjs till 2 kN var 10:e cykel.(ii)Cyklisk provning mellan 1 och 2 kN under 10000 cykler vid 0.5 Hz som är det normala körförhållandet under loppet(iii)Cykliskt test mellan 1 och 5 kN för 10 000 cykler vid 0,5 Hz som är det värsta fallet som ska inträffa vid ett mycket begränsat antal tillfällen (10-20) under loppet. Därefter en viloperiod på 7 dagar vid en konstant belastning på 1 kN. Därefter, på samma stav, en cyklisk provning mellan 1 och 2 kN i 10000 cykler vid 0,5 Hz

3. Resultat och diskussion

3.1. Utformning av stången: Den uppenbara kommersiella lösningen är en aluminiumstång med två sfäriska anslutningar, vilket framgår av figur 5, som beräknas enligt ISO 12240-4 från den katalog som finns tillgänglig till exempel i . Om man beaktar de ovan angivna belastningarna leder det till ett par kommersiella sfäriska huvuden, som väljs bland de typer som visas i tabell 1, och som är sammanfogade med en aluminiumpelare. Den totala minimilängden () för stången blir från 78 till 108 mm och den totala vikten från 26 till 52 gram plus några gram av aluminiumpelarens vikt.

Figur 5

Konventionell metalllösning.

Type (mm) (mm) (mm) (mm) l2 (mm) (mm) Dynamisk belastning (kN) Statisk belastning (kN) Vikt (g) Stål på brons 18 M6x1 30 13 39 9 4.3 5.3 26 Stål på stål 21 M5x0.8 30 11 42 6 3.4 8.1 13 Stål på metall/PTFE 20 M6x1 30 25 54 9 4.3 5.3 21 Stål på PTFE 18 M6x1 36 22 45 9 4.3 5.3 19

Tabell 1

Möjliga kommersiella sfäriska förbindelser.

Stångens styvhet domineras av den ena aluminiumdelen, men det är inget problem så snart den är mycket högre än fjäderns.

Å andra sidan bestäms i det här fallet minimilängden av huvudets geometri och även huvuddiametern från den ena sidan kan vara för stor för att passa in i bladfjädern, och från den andra sidan är förbindelsespinndiametern () begränsad till 6 mm på grund av huvudhålets storlek. Detta kan vara ett problem vid anslutningen till lambdaelementet på grund av höga kontakttryck på CFRP-lagren.

3.2. Okonventionell konstruktion med polymerelement

Efter dessa överväganden undersöktes möjligheten att använda ett kommersiellt polymerelement. Kevlarrep med en diameter på 12 mm och ett nominellt motstånd på 20 kN testades, men krympning hade samma problem som för metalltrådar och att göra knutar ledde till en kraftig (och svår att förutse) minskning av det nominella motståndet , vilket på detta sätt eliminerade fördelen med den kommersiella komponenten. I figur 6 visas effekten av olika typer av knutar på repets kvasistatiska beteende. Det kan konstateras att knutdragning leder till enorma förskjutningar med mycket begränsad belastning. I inget fall är slutstyrkan nära den nominella och den totala styvheten är inte heller lämplig för tillämpningen.

Figur 6

Mekaniskt beteende hos ett kevlarrep med olika typer av knutar.

Slutligen identifierades en syad remsa av Dyneema som används för bergsklättring och som har CE-certifieringsmärkning för 22 kN, som visas i figur 7, som en möjlig lösning.

Figur 7

22 kN klassad kommersiell Dyneema-sydd remsa.

Den minsta längden är 100 mm, vikten är 6 gram, bredden är 10 mm och huvudets diameter är lika med stiftdiametern plus två gånger bandets tjocklek, dvs. 2 mm. Dessa remsor kan anslutas till bladfjädern och till det övre lambdaelementet med hjälp av 12 mm stift, vilket leder till ett ganska lågt kontakttryck på kompositmaterialet.

3.3. Ratcheting Behavior

I figur 8 visas ett typiskt stegprovningsresultat. Man kan se ett ratchetingbeteende, som är tydligare i de första cyklerna, vilket motsvarar de lägre belastningarna. Brottbelastningen är högre än den certifierade belastningen och motsvarar en förskjutning på 14 mm.

Figur 8

Stegprovsresultat.

Figur 9 visar den maximala, i rött, och minimala förskjutningen, i blått, som motsvarar den maximala (5 kN) respektive minimala (1 kN) belastningen inom cykeln.

Figur 9

Ratcheting testresultat 1-5 kN.

Det kan visas att efter en kraftig ökning i de första cyklerna tenderar ratcheting effekten att avta.

I figur 10 visas de typiska resultaten av de tre testerna (observera att antalet cykler i detta fall är i en logaritmisk skala). Det är möjligt att uppskatta den stabiliserande effekten på de 1-2 kN belastade provkropparna av en tidigare 1-5 kN belastning. De förbelastade remsorna börjar alltså med en längd som är 2,6 mm högre än den kommersiella remsan, men det ratchande beteendet på grund av bruksbelastningen (1-2 kN) är dramatiskt reducerat. Detta kan förklaras genom två olika fenomen som inträffar under belastningen mellan 1 och 5 kN på två olika dimensionella skalor. På molekylär nivå blir de långa polyetylenkedjorna i den enskilda strängen inriktade längs belastningsriktningen. Medan på mikroskopisk nivå kompakteras strängarna i bandets väft och varp och riktas in längs belastningsriktningen, vilket visas i skanningselektronmikrograferna i figur 11, där jungfruliga och tränade band jämförs.

Figur 10

Ratcheting-testresultat i olika belastningssekvenser.

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 11

Bilder från svepelektronmikroskop: (Resultaten visar att det är möjligt att använda UHMWPE-stången, med försiktighetsåtgärden att träna den före montering vid en högre belastning än den nominella belastningen, för att registrera upphängningen med rätt utgångslängd.

Det föreslagna träningsprotokollet är följande:(i)kontrollera att den maximala värsta belastningen är lägre än den maximala nominella belastningen dividerad med en lämplig säkerhetsfaktor (ju högre säkerhetsfaktor, desto lägre sträckning av remsan under träningsfasen)(ii)tillämpa den maximala värsta belastningen under ett antal cykler som är förenligt med komponentens uppdragsvaraktighet, med realistisk frekvens(iii)hålla stången statiskt på den lägsta nivån av den cykliska belastningen under samma tidsperiod som den cykliska träningen(iv)mäta stånglängden för att anpassa monteringsuppställningen

4. Slutsatser

Designen av en stång för en lättviktsupphängning för fordon visades. Analysen av de möjliga konstruktionslösningarna, dvs, en konventionell metallstång med kommersiella sfäriska anslutningar och ett kommersiellt polymeriskt UHMWPE-element, visade att den sistnämnda kunde ge vissa konkurrensfördelar när det gäller vikt och minskade dimensioner.

Det visade sig dock att kryp- och ratchetingbeteendet i detta fall kunde vara ett problem på grund av två huvudmekanismer: inriktningen på molekylär nivå av de långa polyetenkedjorna och kompaktering och inriktning i belastningsriktningen av strängarna i remsans väft- och varptrådar på en mikroskopisk nivå.

Lämpliga mekaniska cykliska experimentella tester visade att stångförlängningen vid en belastning på 1 kN var 2 respektive 3,2 mm efter tillämpning av arbetsbelastningen och den värsta belastningen.

Med tillämpning av ett särskilt träningsprotokoll uppnåddes en fullständig stabilisering av stången med avseende på spärrning, med en liten förlängning, som måste beaktas, med avseende på de otränade komponenterna.

De tränade UHMWPE-stängerna kvalificerades för upphängning med hjälp av de nämnda testerna, både när det gäller den maximala belastningen och den dimensionella stabiliteten, och de monterades faktiskt på Cruiser-Class Vehicle “Emilia 4”, som vann 2018 års upplaga av den amerikanska Solar Challenge.

Datatillgänglighet

De experimentella data som används för att stödja resultaten i den här studien är tillgängliga från motsvarande författare på begäran.

Intressekonflikter

Författarna förklarar att de inte har några intressekonflikter.

Acknowledgments

Den här forskningen har fått stöd från Onda Solare Solar Car Association. Slutligen ett särskilt tack till Ana Pavlovic, Giacomo Baschetti och Davide Peghetti för deras personliga bidrag. Denna forskning har finansierats av det italienska ministeriet för utrikesfrågor och internationellt samarbete (MAECI) genom gemensamma forskningsprojekt av särskild relevans, med ett projekt som heter “Two Seats for a Solar Car” inom ramen för det exekutiva programmet för samarbete mellan Italien och Serbien på området vetenskap och teknik.