KONSTRUKCJA WAHACZA

LEKKIEGO MOTOCYKLA ELEKTRYCZNEGO 2014

Kiedy etap dobierania podstawowych wielkości geometrycznych ramy oraz tworze-nia modeli 3D został zakończony, zwrócono uwagę w kierunku tylnego zawieszetworze-nia. Przed ostateczną wersją wykonano kilka prototypowych modeli w oprogramowaniu CAD. Dzięki konsultacjom między członkami załogi i wielokrotnym analizom MES udało się wyeliminować niedoskonałości pierwszych wersji. Jedna z pierwszych kon-cepcji wahacza miała masę niemal 3 kg i nie spełniała założeń wytrzymałościowych. W tego typu elementach maszynowych sztywność boczna jest niezwykle istotna, głównie z powodu sił odśrodkowych przy skręcaniu. Problem ten studenci rozwiązali

Rys. 2. Model 3D ostatecznej wersji wahacza

137

za pomocą rurki przyspawanej w poprzek wahacza, tuż przed kołem. Kolejnym kło-potliwym szczegółem była konieczność użycia hamulców rowerowych. To, oraz nie-standardowa geometria wahacza względem wahaczy rowerowych, spowodowało kło-pot z mocowaniem hamulców. Do montażu użyto adaptera International Standard na Post Mount, który znacznie uprościł konstrukcję elementu mocującego zacisk hamul-ca. Pozostało więc tylko dobranie odpowiednich warunków brzegowych do analizy naprężeń.

4.1. DEFINICJA OBCIĄŻEŃ

W konstrukcjach nośnych tego typu obciążenia zazwyczaj dzieli się na dwie grupy: grawitacyjne oraz pochodzące od siły odśrodkowej. Pierwsza z nich powoduje w tego typu elemencie maszynowym największe naprężenia. Jak sama nazwa wskazuje, po-chodzą od ciężaru pojazdu oraz jego pasażerów – parametr ten określa się pojęciem dopuszczalna masa. W przypadku wahacza najgorszy przypadek takich obciążeń zachodzi, gdy cała siła przyłożona na tylne koło w momencie zjazdu z przeszkody, np. krawężnika, nie jest przenoszona poprzez wahacz na amortyzator i konstrukcję motocykla, lecz w 100% skupiona jest na konstrukcji wahacza. W rzeczywistości zdarzenie takie jest praktycznie niemożliwe, a najbardziej zbliżona sytuacja to tzw. całkowite dobicie amortyzatora. Zjawisko to zachodzi, gdy środek sprężysty zasto-sowany w amortyzatorze – sprężyna, olej, powietrze – zostaje maksymalnie ści-śnięty i zamiast rozpraszać energię, przekazuje ją w całości na konstrukcję nośną. [4], [5]. Dokładną wartość siły, jaka została użyta w analizie MES, określono za pomocą wzoru:    m n g F %tyłx_w F – siła działająca na tylną oś,

m – masa pojazdu, g

n – krotność przyśpieszenia ziemskiego,

%tył – procent masy pojazdu przypadający na tylną oś od środka ciężkości, x_w – przyjęty współczynnik bezpieczeństwa.

Zatem: N 54 , 6890 2 % 8 , 87 kg N 81 , 9 2 kg 200       F (1) Kąt mocowania amortyzatora:

Po określeniu siły należało wybrać odpowiedni punkt oraz kąt przyłożenia. Brano pod uwagę dwie możliwości:

 Miejsce mocowania osi tylnego koła,  Miejsce mocowania amortyzatora.

Ze względu na możliwość dokładnego ustawienia siły pod kątem działania amorty-zatora zdecydowano się na drugą opcję.

138

Obciążenie z drugiego przypadku, czyli działające na konstrukcję podczas skręca-nia, obliczono z prostego wzoru:

F_odśr = R mv2

(2) gdzie:

Fodśr– siła odśrodkowa, m – masa pojazdu,

v – maksymalna prędkość osiągana przez skuter,

R – minimalny promień toru ruchu przy prędkości maksymalnej. Zatem: F_odśr = 1373,4N 5 , 40 h km 60 kg 200   m

Obliczona maksymalna siła odśrodkowa podczas skręcania została przyłożona w miej-scu mocowania tylnego koła – zapewniło to najbardziej niekorzystny przypadek obciąże-nia wahacza.

4.2. WARUNKI BRZEGOWE

Kolejnym etapem przed obliczeniami było odebranie stopni swobody waha-czowi. Wszystkie utwierdzenia przykładane były do punktów referencyjnych (rys. 4) połączonych z powierzchniami odpowiedzialnymi za przenoszenie tych obciążeń za pomocą części wirtualnych. W przypadku obciążeń pochodzących od grawitacji należało zablokować wszystkie translacje przy osi tylnego koła i wszystkie trans-lacje w osi wahacza względem punktu środkowego. W wielu programach oferują-cych analizę MES istnieją także specjalne narzędzia do automatycznego nadawa-nia więzów w miejscach obrotu całej konstrukcji. W przypadku działanadawa-nia siły odśrodkowej podczas skręcania wszystkie translacje zostały zablokowane zarówno w miejscu mocowania osi wahacza, jak i w miejscu mocowania amortyzatora.

4.3. DYSKRETYZACJA

Do stworzenia modelu nadającego się do obliczeń należy stworzyć model dys-kretny. Mówiąc inaczej, należy stworzyć model złożony z elementów opisanych węzłami i funkcjami kształtu [3]. W modelu dyskretnym wahacza użyto w przewa-żającej większości czterowęzłowych elementów czworokątnych powłokowych. Ten rodzaj elementów zapewnia krótki czas obliczeń oraz wystarczającą dokładność wyników.

139 4.4. WYNIKI ANALIZY MES

Po serii obliczeń MES i optymalizacji, jakim należało poddać wahacz, uzyskano zadowalające wyniki zarówno pod względem maksymalnych obciążeń (rys. 5), jak i przemieszczeń. Tak skonstruowany wahacz gwarantuje bezpieczeństwo i niezawod-ną pracę zawieszenia.

Rys. 4. Wyniki analizy – maksymalne naprężenia równe 362,5 MPa wg Hipotezy Hubera–Misesa

5. WNIOSKI ORAZ KIERUNEK DALSZYCH PRAC

Zaprojektowany wahacz spełnia wszystkie przyjęte na początku założenia. Osta-teczna wersja wahacza po optymalizacjach o masie na poziomie 2,6 kg, w porównaniu do pierwszych projektów o masie ponad 3 kg, to zadowalający rezultat. Mimo to masa

140

wydaje się być dalej dość wysoka w porównaniu do reszty konstrukcji Czynnikiem, który negatywnie wpłynął na masę wahacza był materiał. Stal C45 nie należy do naj-lżejszych materiałów konstrukcyjnych. Został wybrany przez studentów z KN PiRM głównie ze względu na bardzo dobrą spawalność oraz stosunkowo dobre właściwości mechaniczne. W przyszłorocznej edycji SmartMoto Challenge w Barcelonie, Koło Naukowe Pojazdów i Robotów Mobilnych planuje użyć materiałów kompozytowych. Poważnie rozważane jest wykorzystanie włókien węglowych. Materiał ten jest coraz szerzej stosowany w motoryzacji. Pomimo niezbyt wysokiej wytrzymałości na obcią-żenia punktowe i udarowe, odznacza się stosunkowo niską masą oraz bardzo wysoką wytrzymałością.

LITERATURA

[1] PAJĄCZEK T., Motocykl studentów Politechniki zdobył prestiżową nagrodę i jedzie do Barcelony, Onet.pl, 2014.

[2] RUSIŃSKI E., Metoda elementów skończonych. System COSMOS/M., Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1994.

[3] DZIERŻANOWSKI G., SITEK M., Samouczek Metody Elementów Skończonych dla studentów

Budownictwa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2012.

[4] FOALE T., Motorcycle Handling and Chassis Design the art and the science, Morrisville, United States, 2002.

konstrukcje dla pojazdów przyszłości, ergonomia pasażerów, stanowisko do badań ergonomii pojazd elektryczny, skuter elektryczny

Andrzej PIETRYKA* Zbigniew ŻELAZNY*