Przednia belka i zawieszenie, czyli o nietypowych rozwiązaniach w Kropelce 2015

Jednym z najciekawszych elementów w Kropelce 2015 jest przednia belka pojazdu. Dlaczego jest niezwykła? Dlatego, że skręcanie odbywa się za pomocą skrętu całej belki, a nie samych kół. Jest to nietypowe rozwiązanie, którego do tej pory nie widzieliśmy w żadnym innym pojeździe biorącym udział w Shell Eco-marathonie.

 

 

Czasem pytacie nas, dlaczego zabraliśmy się za budowę nowego bolidu. Oprócz faktu, że poprzednia Kropelka jest stosunkowo ciężka i duża pozostają po prostu… zmiany w regulaminie zawodów. Od tego roku zmniejszony został dopuszczalny promień skrętu z 10m do 8m oraz wprowadzono zakaz skręcania za pomocą tylnego koła. W związku z tym konieczne było nowe podejście do tematu układu kierowniczego i zawieszenia.

 

Co uwarunkowało zaproponowany kształt belki? Oczywiście ważne dla nas było, aby pojazd stawiał jak najmniejszy opór aerodynamiczny. Sprowadzało się to do jak najlepszego odwzorowania kształtu zawieszenia, który otrzymaliśmy z obliczeń i optymalizacji. Równie ważnym kryterium była sterowność pojazdu. W projekcie uwzględniliśmy także minimalizację masy oraz łatwość prowadzenia przewodów wewnątrz zawieszenia.

 

Jak już wspomniano na początku, zdecydowaliśmy się na nietypowy układ zawieszenia, mianowicie na skrętną przednią oś pojazdu. Lepsza możliwość zintegrowania aerodynamiki pojazdu wraz z kątami skrętu spełniające równania kinematyki w całym ich zakresie były kluczowe przy wyborze koncepcji. Uwzględniając minimalny dopuszczalny przez regulamin promień skrętu obliczony został maksymalny kąt skrętu naszego bolidu. Kąt ten wynosi αmax = 16°.

 

Korzystając z analiz i optymalizacji aerodynamicznych przeprowadzonych wcześniej, uzyskaliśmy pożądaną geometrię. Kształt belki został przybliżony przez profil o geometrii zbliżonej do bryły wygenerowanej na poprzednim rysunku (rys. po lewej na górze), wyciągniętym wzdłuż krzywych w dwóch płaszczyznach. Wykonano to tak, aby możliwie jak najlepiej przybliżyć optymalny kształt i zapewnić dany zakres promienia skrętu.  Dodatkowo zdecydowaliśmy się na poprowadzenie wewnątrz belki zawieszenia przewodów hamulcowych oraz elektronicznych do pomiaru prędkości kątowej kół. Dzięki schowaniu ich w środku nie będą one ingerowały w aerodynamikę pojazdu, co będzie miało pozytywny wpływ na współczynnik oporu bolidu.

 

Ze względu na skomplikowaną geometrię belki dosyć długo trwały dyskusje na temat poprowadzenia struktury przenoszącej obciążenia z kół do bryły pojazdu. Ostatecznie zdecydowaliśmy się na podzielenie belki na dwie części: przenoszącą obciążenia oraz na owiewkę aerodynamiczną. 

 

 

Część przenosząca obciążenia (rys. powyżej i obok) zostanie wykonana z kompozytu węglowo-epoksydowego, a zbrojenie będzie położone pod kątem +/- 45 st. Dodatkowo wzmocnimy strukturę pasami wykonanymi z włókna węglowego jednokierunkowego wraz z mieszanką sycącą. Zadaniem tych pasów będzie przenoszenie obciążeń od zginania, mogące osiągać do 400 Nm momentu gnącego.

 

Owiewka wykona będzie z 3 warstw włókna węglowego o gramaturze 80 g/m^2. Podobnie jak w przypadku poszycia zastosujemy metodę infuzji, aby jak najdokładniej odwzorować geometrię i uzyskać bardzo gładką powierzchnię.

 

Foremniki do owiewki i do struktury nośnej zostały wykonane z płyt poliuretanowych. Zadecydowano, że będą one foremnikami negatywowymi, co dodatkowo daje możliwość pozycjonowania mocowań kół i kolumny kierowniczej.

 

 

Ze względu na fakt, że siły działające na belką mogą przyjmować wartości większe od 1 kN, szczególną uwagę poświęciliśmy wykonaniu mocowań koła z belką oraz mocowaniu kolumny z belką. Zadecydowaliśmy, że elementy te będą wykonane ze stopów aluminium. Połączymy je ze strukturą nośną za pomocą kleju metakrylowego, który zapobiegnie wyrwaniu mocowań.

 

Większość części układu zostanie wykonana ze stopów aluminium ze względu na ich niską gęstość. Kolumna kierownicza będzie połączona z bryłą pojazdu za pomocą kołnierza, który  przykręcimy śrubami do wręgi pojazdu. Kierownica w pojeździe będzie składana, tak aby ułatwić możliwie jak najszybsze wyjście kierowcy z pojazdu. Według regulaminu zawodów ma on 10 sekund na opuszczenie bolidu o własnych siłach. 

 

 

 

Prace nad belką sfinansowane zostały dzięki z grantowi rektorskiemu.

 

Już niedługo pojawią się kolejne artykuły o Kropelce 2015, tymczasem zachęcamy do zapoznania się z artykułem o poszyciu i obejrzenia filmiku z procesu tworzenia powłoki smiley

 

Karol Golon