2/2014, Koulutus ja oppiminen, Tutkimus ja innovaatiot

Formula Student osana autotekniikan opiskelua

TAMPERE FS013 -kilpa-auton rakenne

Auton runko on tehty putkista käyttäen muotosulkeista rakennetta, eli koko rakenne on tehty muodostamalla putkikolmioita. Tällä tavalla rungosta saadaan erittäin kevyt ja vääntöjäykkä. Rungon pääkaarien väliset kulmat ja hyväksytyt putkikoot ovat tarkasti määritetty säännöissä. Runko on valmistettu Ruukin Form 500 ja Form 600 -lujuusluokan teräsputkista.

 

Alustan tukivarsien kiinnityspisteiden kohdistamiseen on käytetty korinmittauslaitetta. Laite on tarkoitettu henkilöauton korin suoruuden mittaamiseen, mutta se soveltuu myös hyvin tähän käyttöön. Laitteeseen määritetään koordinaatit piirustusten perusteella ja mittakärjellä haetaan oikea sijainti tukivarrelle. Tukivarsi kiinnitetään jigiin ja hitsataan paikalleen.

Renkaiden ripustuksen kinematiikan suunnitteluun on käytetty OptimumK -ohjelmistoa. Tavoitteena on paras mahdollinen rengaspito, joka saavutetaan pitämällä käännöksen camber- kulman muutokset mahdollisimman pieninä. Näin maksimoidaan ulkokurvin puoleisen renkaan pito, vaikkakin sisäpuolen kustannuksella.

 

Aurauskulmat on suunniteltu niin, että sortokulma antaa hyvän ohjattavuuden mutkissa, mutkan säteestä riippumatta. Staattiset aurauskulmat ovat suhteellisen isot ja aurauskulman muutokset joustossa ovat lähes nolla. Alustan mekaanisessa suunnittelussa on käytetty Catia-ohjelmistoa ja siihen kuuluvaa FEM-analyysia. Lähes kaikki ripustuksen osat on tehty 7075 sarjan alumiinista. Tukivarret on valmistettu hiilikuituputkista, joihin on liimattu alumiiniset kiinnityspäät. Liimauksien kesto on varmistettu vetotestillä. Koko ripustus ja kaikki sen osat ovat itse suunniteltuja ja tehtyjä.

Moottorilta voima välitetään taka-akselille ketjulla. Ketjuveto on valittu sen yksinkertaisen rakenteen, pienen tehohäviön, helpon säädettävyyden ja edullisuuden vuoksi. Ketjukireyden säätäminen tehdään yksinkertaisesti kiinnikkeiden ja rungon väliin asetettavilla säätölevyillä. Tasauspyörästö on varustettu luistonrajoittimella, jonka sallimaa takapyörien välistä pyörimisnopeuseroa pystytään säätämään.

Vetonivelet ovat huomattavasti kevyemmät kuin aiemmissa autoissamme. Käytämme tripod- tyyppisiä vetoniveliä, jotka ovat erityisesti pieniin formula-autoihin suunniteltuja. Vetonivelen pesät ovat omaa suunnittelua. Vetoakselit ovat painon säästämiseksi ontot. Valmistus tapahtui omatoimisesti tiimin jäsenten tekemänä tai Pirkanmaan alueen eri ammattikoulujen oppilastyönä.

Jarrut ovat kaksipiiriset ja niissä on balanssin säätö. Alumiininen jarrusatula on ISR:n valikoimasta. Edessä ovat nelimäntäiset jarrusatulat ja takana kaksimäntäiset. Jousittamattoman massan vähentämiseksi sekä pienen vannekoon aiheuttaman asennustilan puutteen vuoksi, taka-akseliston jarrut ovat perän tasauspyörästön vieressä, eivätkä pyörillä. Jarrulevyt suunniteltiin uiviksi, koska jarrusatulat ovat kiinteät.

Kytkin, jota käytetään vain liikkeelle lähdettäessä, on nestetoiminen. Vaihteen vaihto on toteutettu sähköisellä suorakytkentäsolenoidilla.

Moottori on kaksisylinterinen 550 cc Aprilia RXV. Se on hyvä kompromissi kevyen yksisylinterisen ja tehokkaan, mutta painavan nelisylinterisen välillä. Moottoriin on vaihdettu korkeapuristemännät ja kansien imukanavia on täytetty paremman virtauksen aikaansaamiseksi. Virtausmäärää rajoittaa sääntöjen määräämä 20 mm kurkun halkaisija. Näin ollen moottori täytyy säätää pienen ilmamäärän käyttämiseen. Imusarjan suunnittelussa käytettiin apuna Ricardon Wave simulaatio-ohjelmaa. Imusarjan primääriputkien pituutta pystyy muuttamaan jos tehohuippua halutaan siirtää eri kohtaan. Pyörätehoksi on saatu 43 kw kierrosnopeudella 9230 rpm.

Katteiden muotit on tehty itse, liimaamalla yhteen MDF-levyjä, ja koneistamalla muodostunut suuri suorakaide. Itse katteiden valmistus tapahtui ensimmäistä kertaa alipainesäkitys-menetelmällä.

Kisakausi 2013

Vuoden 2013 kilpailukausi käynnistyi Baltic Openista, joka järjestettiin Helsingissä Malmin kartingradalla. Kilpailuun osallistui kaiken kaikkiaan 23 joukkuetta, joista suurin osa Keski-Euroopasta. Ohjelmassa oli kiihdytys sekä pujottelu. Juuri kun parhaat säädöt alkoivat löytyä, vetoakselin kiinnityspultti löystyi ja akseli painoi irrotessaan vasemman takarenkaan tukivarret poikki. Ajat riittivät kuitenkin kiihdytyksessä sijaan 8. ja pujottelussa sijaan 10. Yön aikana autoon tehtiin uudet tukivarret katkenneiden tilalle.

Toisena päivänä ohjelmassa oli autocross eli ns. aika-ajo, joka ajettiin kahdessa osassa, myötä- ja vastapäivään rataa kiertäen. Sijoitus oli 10. ja 13. tila.

Kilpailun viimeinen päivä oli varattu kestävyysajolle, jossa ajetaan 22 kilometriä. Sen puolessa välissä suoritetaan kuljettajanvaihto, ja sijoitus määräytyy kokonaisajan perusteella. Kestävyysajo sujui ongelmitta ja auto tuli sijalle 7. Kokonaiskilpailussa sijoitus oli kuudes, erityisesti tiimin tunnelmaa nostatti Best Team Spirit -palkinto. TAMKin tiimi on kuitenkin pieni ja auto suunnitellaan ja valmistetaan omatoimisesti, suurelta osin itse hitsaamalla ja koneistamalla.

Seuraava kisatapahtuma oli Unkarin Gyorissa. Neljän päivän kilpailu alkoi katsastuksella ja staattisilla testeillä. Auto läpäisi katsastuksen huomautuksetta, lukuun ottamatta muutamia varmistuksia ja suojauksia. Staattiset osuudet: Tilt-test, jarru- ja melumittaus sujuivat ilman lisätoimenpiteitä.

Dynaamiset osiot alkoivat kiihdytyksellä, jossa saimme tiimin historiamme parhaan tuloksen. Myös Skid Padissa pärjäsimme melko hyvin. Ennen kestävyyskilpailua auton moottorissa ilmeni vika, jota emme olisi saaneet korjattua ilman saksalaista tiimiä, joilta saimme kalliita varaosia moottoriin. Kestävyyskilpailuun jouduimme lähtemään viimeisenä auton korjaustöiden viivästyksen takia.

Kilpailu sujui ongelmitta, kunnes auton jäähdyttimen tuuletin lakkasi toimimasta ja jäähdytysnesteiden lämpötilat nousivat kiehumispisteeseen. Ongelmista huolimatta pääsimme kilpailussa maaliin, itse asiassa ensimmäistä kertaa koskaan tiimin historiassa. Sijoituksemme dynaamisessa osiossa oli 16. ja kokonaiskilpailun sijoitus 16. Tiimejä kilpailussa oli 38.

Yhteenveto ja tulevaisuus

Kaudelle 2013 TAMKin tiimi otti suuren askeleen eteenpäin. Uuden alustan, rungon ja moottorin vuoksi suunnittelu aloitettiin käytännössä tyhjältä pöydältä. Tällä ratkaisulla auton massasta saatiin pois 35 kg. Painonsäästön ja tehon kasvun myötä kiihtyvyys ja ajo-ominaisuudet ovat huomattavasti aikaisempia vuosia parempia.

Autoa ei ennen kisoja ehditty juurikaan testaamaan, joka selvästi vaikuttaa kisatulokseen. Tällä kertaa tosin syynä olivat viivästyneet osatoimitukset. Etenkin iskunvaimentimien saaminen osoittautui hyvin hankalaksi. Opiskelijat ovat kesäaikaan myös harjoittelemassa ja tiimin toimii vain iltaisin ja viikonloppuisin. Kisoja varten opiskelijat ottavat vapaata kesäharjoittelupaikoistaan.

Autoa päästiin testaamaan huolella vasta kisojen jälkeen, ja siitä saatu tieto on erittäin tärkeää seuraavaan auton suunnittelun lähtötietoa. Joka vuosi täytyy sääntöjen vuoksi tuoda kisaan uusi auto. Syksyn testeissä haimme auton ajo-ominaisuuksien rajoja ja testasimme kestävyyttä. Myös kuljettajille saatiin tärkeää ajokokemusta ja erilaisten säätöjen vaikutusta päästiin käytännössä testaamaan.

Kaudella 2014 tärkein muutos on aikataulutuksen parantaminen siten, että keväällä voidaan aloittaa laajan testikausi ja yhdistää sen toteuttaminen autotekniikan opetukseen vielä lukuvuoden aikana. Nyt tilaukset tehdään useita kuukausia aikaisemmin. Runko perustuu FS013 malliin ja pääkohteina on painon vähentäminen ja kuljettajan hallintalaitteiden parantaminen. Moottorina säilyy Aprilia RXV550, jolle kehitystyötä jatketaan muun muassa erilaisilla pinnoituksilla ja nokka-akseleilla. Voimansiirrossa kehitämme hihnavetoa nykyisen ketjuvedon tilalle.

Kuljettajan ympäristö pyritään digitalisoimaan tuomalla jarrubalanssi, veden lämpötila ja vaihdetieto näytölle. Vaihteensiirron logiikka, luistonesto, lähtöjärjestelmä sekä puheyhteys varikolle helpottavat ajoa. Varikolta on tarkoitus pystyä reaaliajassa seuraamaan auton paikkatietoa sekä voimia ja alustan joustoa, jolloin säätäminen helpottuu. Suuri kehitysaskel on myös aerodynamiikan kehitys. FS014 kilpa-autoon suunnitellaan ensimmäistä kertaa sekä pohjalevy että etu- ja takasiipi, joilla haetaan suurempia mutkanopeuksia.

Formula Student -kilpailun ja TAMKin tiimin tarkoituksena on luoda insinöörikoulutukselle käytännönläheinen toteuttamistapa. FS014 auto tuo oppimiseen mukaan voimakkaasti nykyaikaisen autoelektroniikan ja tietotekniikan. Ajoneuvon mekaaninen suunnittelu säilyy edelleen osana oppimistehtävää mutta integroituu osaksi tietotekniikkaa. Rakenteiden monimutkaistuessa opiskelijoiden oppimisen määrä on kasvanut. Opiskelijat jäävät pois tiimistä valmistuessaan insinööriksi.

Kirjoittajat

Marko Mäkilouko, koulutuspäällikkö, TkT, Tampereen ammattikorkeakoulu, marko.makilouko@tamk.fi

Aaro Kohilo, opiskelija, Tampereen ammattikorkeakoulu, aaro.kohilo@eng.tamk.fi

Esko Lätti, opiskelija, Tampereen ammattikorkeakoulu, esko.latti@eng.tamk.fi

Juuso Nieminen, opiskelija, Tampereen ammattikorkeakoulu, juuso.nieminen@eng.tamk.fi

Edellinen artikkeliSeuraava artikkeli

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *