Az autó közelében, a futóművünket vizsgálva gyakran kérdezik meg, hogy a futómű miért van csak a burkolatra felcsavarozva. Itt azonban nincs külön burkolati eleme az autónak, hanem úgynevezett monocoque-ja van, ami annyit tesz, hogy egy önhordó szénszálas vázszerkezet alkotja az autó fő központi szerkezeti elemét, vázként és „burkolatként” egyszerre szolgálva. Ez egyben a pilótát védő, elpusztíthatatlan utascella, olyan, mint amilyet mostanában a szuper sportkocsikban is megtalálunk.
A SAE (Society of Automotive Engineers) irányelvei alapján írt FSAE (Formula SAE) szabályzat rengeteg előírást tartalmaz a monocoque biztonságtechnikájára. Az első ütközéselnyelő zónával és az oldalfalba integrált oldalsó ütközési zónákkal együtt képes a pilótát megvédeni a versenypályán esetleg bekövetkező ütközésekből adódó erőhatásoktól. Ütközésre a szabályzat legfeljebb 20 g-s gyorsulást enged meg átlagban, emellett 40 g-s csúcsokat.
Ezt az FRT szerkezete teljesíti, átlagban 17 g-s gyorsulással védi meg a pilótát egy esetleges frontális ütközéskor. A szerkezet maga jellemzően egy szendvicsszerkezet, amely két, megközelítően 1–1,5 mm szénszálas réteg között egy vastagabb maganyagból áll, és így alkot szendvicsszerkezetet. A maganyag szerepe, hogy a szerkezet hajlítással szembeni ellenállását – inerciáját – növeljük, lehetőleg minimális tömeg hozzáadásával.
Ezt a gyártástechnológiával összeegyeztetve alapvetően kétféle módon lehet megvalósítani; zárt cellás hab maganyaggal és méhsejtszerkezettel. Mivel az FREC esetében vákuuminjektálást használtnak a gyártásnál, ezért nagy, nyitott méhsejt szerkezetű maganyagot nem lehetett alkalmazni, így zárt cellás maganyaggal terveztünk, dolgoztunk.
Az erők bevezetése a szerkezetbe csatlakozási pontokon keresztül történik. Mivel a szerkezet jelentős részét kitevő, nagy inerciával, de kis nyírószilárdsággal rendelkező része nem képes ilyen terheléseket felvenni, ezért a jobban igénybevett helyeken – tipikusan a futómű-bekötési pontoknál – rétegszámnövelt régiók veszik fel a terhelést, majd oszlatják el a szomszédos területeken.
Sok ezer munkaórát vett igénybe
Már az elején sejtettük, hogy a megvalósítás nem lesz egyszerű. Egy műegyetemi professzort kerestünk meg néhány évvel ezelőtt a témával kapcsolatban, mire ő kétkedésének adott hangot, miszerint a szóban forgó szerkezet aligha méretezhető. Ebbe nem nyugodtunk bele, mivel az iparban már sok éve foglalkoznak hasonlóval – és azóta meg is oldottuk a feladatot, így igazolódott, hogy mégsem lehetetlen. Azonban sokan nem is sejtik, milyen sok tudás, munka és kutatási eredmény van Magyarország első formula monocoque-jában.
Az egész projekt összesen 18 150 munkaórát vett igénybe, amelyből több mint 12 100 a tervezésre és kutatásra, 6050 pedig a gyártásra fordítódott. A tervezési idő természetesen magába foglalja azt az időszakot is, amikor a feladattal még csak ismerkedtünk, ez 2010 őszén kezdődött, az egyetemen. A BME Gép- és Terméktervezés Tanszéken ezeket a kutatásokat házi feladatként, önálló feladatként, projektfeladatként, sőt TDK-nak tudtuk elfogadtatni, amelyeket csoportmunkában végeztünk. Ez összesen 15 diákot érintett három év alatt, kisebb-nagyobb részfeladatként.
Az így megszerzett tudásbázist 2012 őszén csatasorba állítva készült el az FREC-003 monocoque terve, ami néhány hónap alatt körülbelül 3000 munkaórát követelt. A gyártás hasonló intenzitással zajlott, mindössze 94 nap kellett a gyártáshoz, ez alatt a kompozitcsoport harminc tagja a 20 000 km szénszál mellett összesen 6050 munkaórát „tett bele”.
Pro/Engineer és Creo az elejétől a végéig
Még Pro/Engineernek hívták a programot, amikor elkezdődött 2010-ben az előtervezés. Az előtervek tehát még az előző verziókban készültek, az éles tervezés azonban Creo 2.0-ban történt. A BME Formula Racing Team fő rendszere lévén ezt alkalmazzuk a tervezési fázis elejétől kezdve a legvégéig. Mivel a vázszerkezet egy olyan gépelem, amely rengeteg más részegységhez is csatlakozik, ezért már a layout szintjén komolyan foglalkoznunk kell vele. Majd ezután a skeleton és a valós geometria szintjén tovább folytatjuk a tervezést, végül a végeselemes optimalizációk jelentős része és a szerszámtervezés is ebben a rendszerben készül.
A gyártástechnológia és az esztétika nem ellenségek, azaz „ami jól néz ki, az jól is működik”. Ellenben mindkettő teljesítése időigényes. Kihasználva a felületmodellezés adta szabadságot, nemcsak a gyártáskor jelentkező követelményeket teljesítettük a geometria modellezésekor, hanem szerettük volna, ha ránézésre is egy kellemes formát láthatunk. Ahol tehát gépészetileg szabad paraméter van, ott a neuroesztétika alapelvét felhasználva sikerült belecsempészni a formába néhány olyan vizuális attribútumot, amelyek kellemesebbé, szerethetővé teszik az autó alakját. Számos helyen a kocsi karosszériáján meg lehet találni az aranymetszést, a formahasonlóságot és egyéb más „apróságot”.
Talán feleslegesnek tűnik egy versenyautó esetében az ilyen fajta munka, mivel nem megy gyorsabban tőle az autó – de lassabban sem. A külvilág felé egy könnyebben fogadható termék mindig előnyösebb, ami például a csapat életében a partnerkapcsolatok keresésekor is fontos lehet. De ha csak éves célokat nézünk, akkor is van létjogosultsága, hiszen a Formula Studentben a műszaki, költség- és üzleti vonzatról szóló prezentációk esetében rögtön, első benyomásra pozitív töltést ad a bíráknak, amely után egészen más hozzáállásuk lesz a szakmai jellegű bemutatókhoz.
99%-os egyezés a mérés és a számítások között
Pro/Mechanicával készült a végeselemes számítások jelentős része. A szabályzat a biztonsági előírások miatt megkövetel egy analitikus mérési és számítási módszert is, de ez csak a biztonságra vonatkozik, illetve érdemes ehhez is már szimulációs eljárásokat használni. Mi kombináltuk a mérést, számítást és a szimulációt.
Kling Sándor doktorandusz, aki egyben a kompozitcsoport vezetője és a csapat egyik pilótája, sőt a verseny idején csapatkapitány is volt, már előzőleg meghatározta a szükséges anyagtörvényeket az általunk használt unidirekcionális kelmére, a különböző sűrűségű szövetekre, valamint a maganyagra is. Ezek után a kötelező méréseket szakítógépeken végeztük el.
A pontosság érdekében, valamint hogy ezzel is tudjunk egy keveset nyerni, a mérőgép alakváltozását is kimértük egy acélcső segítségével. Ennek a merevségét és alakváltozását könnyű számolni még analitikus eszközökkel is, mivel az anyagtulajdonságok és a geometria jól ismert. Ami eltérés a mérésnél adódik ehhez képest, az a szabályzat szerint is felhasználható korrekciós adatként a karbon-kompozit szendvicspanelek mérésénél. A pontos anyagmodelleknek, a többszörös ellenőrzéseknek és visszacsatolásoknak köszönhetően a szabályzat által előírt mérések 99,5 százalékos pontossággal közelítették a szimulációs eredményeinket.
Ezek után a Pro/Mechanica lehetőségeit kihasználva a teljes vázszerkezetre használtuk a már meglévő anyagmodelleket és vizsgálati módszereket. Merevségi és Tsai-Wu-tönkremeneteli kritériumokat figyelve minimumtömegre való optimálást végeztünk, ahol szabad paraméterek között volt a régiók száma, alakja, a rétegek száma és a szénszálak orientációja. Így végül 65 különböző rétegrendű régió alakult ki 0,7-es Tsai-Wu-kritérium mellett. A tervezéskor szempont volt, hogy amit lehet, azt Magyarországról szerezzük be. Az ősminta-alapanyag mellett a nyergesújfalui Zoltek Zrt. szénszálát használtuk, így nemcsak a tervezés és a gyártás magyar, hanem a felhasznált anyagok jelentős része is.
A siker nem maradt el
Idén két versenyen vett részt az FREC-003, és számos dobogós helyezést értünk el teljesen új autónkkal, ráadásul olyan csapatok ellen, amelyek évek óta ugyanarra a platformra építkeznek. Ezek közül kimagasló győzelemnek számít a Formula Stundent Hungary verseny, ahol Európa legjobbjai ellen küzdve tudtuk megnyerni a műszaki tervezés és a leghatékonyabb energiafelhasználású autó díját is – amelyhez szintén nagyban hozzájárult a könnyű szénszálas vázszerkezet és számos könnyített alkatrész is.
Az Engineering Design Event számban aratott győzelmünk minden bizonnyal a valaha elért legnagyobb siker az FRT történelmében. Ezzel az eredménnyel bizonyítottuk, hogy az elmúlt egy év minden egyes tudatos mozzanatára szükség volt, hogy az utolsó pillanatig érdemes és kell küzdeni.
