Székely Béla Creo 2.0-val tervezett szénszálas önhordó vázszerkezetet a BME Formula Racing team számára. A fiatal műegyetemista mesterszakos hallgató 5 éve tagja a BME Formula Racing Teamnek, ahol eddig számos autó tervezésében vett részt. 3 éve foglalkozik monocoque vázszerkezet fejlesztésével és idén, a BME Formula Racing Team 8. autója, a harmadik elektromos autó, az FREC-003 már ilyen vázszerkezettel épült. Székely Béla beszámol a projekt során megélt kihívásokról, tapasztalatokról, sikerekről.

Mi is az a Monocoque?

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 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 utas cella, olyan, mint amit mostanában már szuper sportkocsikban is megtalálunk. A SAE irányelvek alapján írt FSAE szabályzat rengeteg előírást tartalmaz a monocoque biztonság technikájára. Az első ütközés elnyelő 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, és 40 G – s csúcsokat. Ezt a mi szerkezetünk teljesíti, átlagban 17 G – s gyorsulással védi meg a pilótát egy esetleges frontális ütközéskor.

A szerkezet jellemzően egy szendvicsszerkezet, amely két, kb 1-1,5 mm szénszálas réteg között egy vastagabb maganyag, amely így alkot szendvicsszerkezetet. A maganyag szerepe, hogy a hajlítással szembeni ellenállását – inerciáját – a szerkezetnek növeljük, lehetőleg minimális tömeg hozzáadásával. Ezt a gyártástechnológiával összeegyeztetve alapvetően kétféle módon lehet megvalósítani; zárt cellás hab maganyaggal és méhsejt szerkezettel. Mivel mi vákuuminjektálást használunk a gyártásnál, ezért mi nagy, nyitott méhsejt szerkezetű maganyagot nem tudunk használni, így zártcellás maganyaggal terveztünk, dolgoztunk.

Bekötések: Rögtön a karbonba

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 futómű bekötési pontoknál – rétegszám növelt régiók veszik fel a terhelést, majd oszlatják el a szomszédos területeken.

Mivel nem tudtuk, hogy lehetetlen, ezért megcsináltuk

Vagyis sejtettük, hogy nem lesz egyszerű. Egy műegyetemi professzort megkerestük pár éve ezzel a témával kapcsolatban, mire ő akkor azt mondta, ilyet nem lehet méretezni. Ezt nem hittük el, mivel az iparban már sok éve foglalkoznak hasonlóval – és azóta meg is csináltuk, így igazolódott, hogy nem lehetetlen. Azonban sokan nem is tudják, hogy milyen sok tudás, munka és kutatási eredmény van Magyarország első formula monocoque-jában. Az egész projektben összesen 18150 munkaóra van, amiből több mint 12100 a tervezésre és kutatásra, 6050 pedig a gyártásra ment el. A tervezési idő természetesen magába foglalja azt az időszakot is, amikor a feladattal még csak ismerkedtünk, ez 2010 őszén kezdődött, az egyetemen.

A GT3 tanszéken ezeket a kutatásokat házi feladatként, önálló feladatként, projektfeladatként, sőt TDK-nak tudtuk elfogadtatni, amiket csoportmunkában végeztünk, ez összesen 15 diákot érintett 3 év alatt, kisebb nagyobb részfeladatként. Az így megszerzett tudásbázist 2012 őszén csatasorba állítva készült el az FREC-003 monocoque terve, ami pár hónap alatt körülbelül 3000 munkaórát követelt. A gyártás hasonló intenzitással zajlott, mindössze 94 nap kellett a gyártáshoz, ez alatt a kompozit csoport 30 tagja, a 20000km szénszál mellett, összesen 6050 munkaórát tett bele.

Pro/ENGINEER és Creo az elejétől a végéig

Még Pro/ENGINEER-nek hívták a programot, amikor elkezdtem 2010-ben az előtervezést. Az elő-tervek tehát még az előző verziókban készültek, az éles tervezés azonban Creo 2.0-ban történt. A BME Formula Racing Team fő rendszerének 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” szinten tovább folytatjuk, 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 teljesítettem a geometria modellezésekor, hanem szerettem volna, ha ránézésre is egy kellemes formát láthatunk. Ahol tehát gépészetileg szabad paraméter van, ott a neuroesztétika alapelvét felhasználva sikerült belecsempésznem a formába pár olyan vizuális attribútumot, amely kellemesebbé, szerethetővé teszi az autó alakját. Számos helyen, az autó karosszériáján meg lehet találni az aranymetszést, a formahasonlóságot és egyéb más apróságot. Talán feleslegesnek tűnik egy versenyautó esetében az ilyenfajta 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 partnerkapcsolatok keresésekor is fontos lehet. De ha csak éves célokat nézünk, akkor is van létjogosultsága, hiszen a Formula Studentben a műszaki-, költség- és üzleti részekről szóló prezentációk esetében rögtön az első benyomásra ad a bíráknak egy pozitív töltést, amely után egészen más hozzáállásuk lesz a szakmai jellegű bemutatókhoz.

99%-os egyezés a mérés és a számítások között

Creo Simulation-nel (régebbi nevén Pro/Mechanica-val) készült a végeselemes számítások jelentős része. A szabályzat a biztonsági előírások miatt megkövetel egy analitikus mérés- és számítási módszert is, de ez csak a biztonságra vonatkozik, illetve érdemes ehhez is már szimulációs módszereket használni. Mi kombináltuk a mérést, számítást és a szimulációt. Kling Sándor, doktorandusz, aki egyben a Kompozit csoport 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%-os pontossággal közelítették szimulációs eredményeinket. Ezek után a Creo Simulation lehetőségeit kihasználva a teljes vázszerkezetre használtuk a már meglévő anyagmodelleket és vizsgálati módszereket. Merevség és Tsai-Wu tönkremeneteli kritériumokat figyelve minimum tömegre való optimálást végeztem, 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.

Magyar tervezés, magyar gyártás, magyar alapanyagokból – magyar autóhoz
A tervezéskor szempont volt, hogy amit lehet, azt Magyarországról szerezzünk be. Az ősminta-alapanyag mellett volt szerencsénk támogatás gyanánt a nyergesújfalui Zoltek Zrt. szénszálát használni, így nemcsak a tervezés és gyártás magyar, hanem a felhasznált anyagok jelentős része is.

A név kötelez

A Pro/ENGINEER-rel (új nevén Creo), a programmal, amelyet a tervezéshez használtunk, elsőként gyermekkoromban találkoztam: a földön játszva Édesapám egy műszaki rajzán, ami azzal készült. Később, 2004 körül amikor a győri Jedlik Ányos iskolában egy autóemelőt kellett terveznünk, már modern 3 dimenziós CAD rendszerben terveztem.

Az egyetem elején Édesapám javaslatára és segítségével tanultam a Pro/ENGINEER-t, majd később már elég nagy előny volt, hogy ezt is használni tudtam. Aztán jött a Műszaki Egyetem gépészkarán a Gépelemek 2., ahol hajtóművel kellett tervezni. Itt elsősorban a fogaskerekekre, csapágyakra, tengelyekre kellett koncentrálni, illetve ajánlották, hogy tervezzünk gyártható házat is. Mivel ekkora már volt némi tapasztalatom a felületmodellezésben és Édesapám – aki éppen akkor tervezett egy új generációs hengerfejöntvényt Ingolstadtban – az öntvénymodellezésben szerzett több mint 20 éves tapasztalatát segítségemre bocsájtotta, így neki tudtam állni és végül, egy valós, sorozatban gyártható öntvényt hoztam ki a feladatból.

Tovább keresve a Műszaki Egyetemen a kihívásokat, 2009 őszén csatlakoztam a már említett BME Formula Racing Teamhez. Első évben minden feladatot elvállaltam, amit csak tudtam: burkolat szerszámozását, kipufogó leömlő tervezés, hűtőtartó konzol, pedálbox tervezését. Egy évvel később, 2010 őszén már én voltam a junior csapat főmérnöke, de vele párhuzamosan terveztem a Senior csapatba is futómű alkatrészeket. A Senior csapatban az évben elért legnagyobb érdemem, hogy az FRT-vel sikerült megismertetnem a végeselemes optimálásra a Pro/Mechanicát, a junior csapatban pedig a Silverstone-ban elért C2-es második helyezés, amit egy monocoque vázszerkezetű autó terveivel értünk el. Ezek után tovább képeztem magamat mind végeselemes, mind kompozit gyártástechnológiából. Majd 2012 őszén, amikor már minden szükséges dolog összeállt a tervezéshez, nekikezdtünk.

Siker

Idén 2 versenyen vett részt az FREC-003 és számos dobogós helyezést értünk el teljesen új autónkkal, ráadásul olyan csapatok ellen, akik 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 egy 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 nem csak támogatóink, hanem magunk számára is bizonyítottuk, hogy az elmúlt egy év minden egyes tudatos mozzanatára szükség volt, hogy az utolsó pillanatig érdemes és kell küzdeni.