PRUMYSL.CZ KONSTRUKTER.CZ 3D-TISK.CZ MATEMATIKA.CZ HLEDAME.CZ

Po škole do dílny, aneb jak se staví formule

Skupina studentů VUT v Brně už několik let vyvíjí a staví formule pro mezinárodní konstruktérskou soutěž Formula Student. V zákulisí týmu TU Brno Racing právě dokončují už čtvrtou generaci závodního vozu, který pojmenovali Dragon 4.

Jestliže chcete stavět formuli, a to klidně i tu studentskou, neobejdete se bez úvodní konstrukční části, kdy za využití počítače a CAD programů navrhnete podobu budoucího vozidla. V případě TU Brno Racing tato část začíná v podstatě hned po dojetí posledního závodu sezóny, protože FS Hungary se jede na konci srpna a od září začíná nový akademický rok, který znamená začátek nového cyklu při stavbě formule.

Brněnská studentská formule Dragon 4 ve své čtvrté generaci.

Brněnská studentská formule Dragon 4 ve své čtvrté generaci.

Hned z kraje semestru se provádí nábor nových členů, aby se nahradili ti, kteří úspěšně absolvovali školu či v týmu skončili z jiných důvodů a hned poté je čas na zahájení navrhování nového vozu. Členové týmu se rozdělí do několika sekcí, dle části formule, kterou budou konstruovat – namátkou například sekce motoru, podvozku či další a následně se v průběhu podzimu navrhuje, upravuje, znovu navrhuje a chvílemi se toto kolečko udělá několikrát dokola, než v závěru kalendářního roku spatří světlo světa závěrečný návrh formule.

Základem je rám

Koncem kalendářního roku probíhají další přípravné práce ke stavbě nového vozu. Postupně na dílnu přichází materiál a potřebné díly a po dobu zimního zkouškového období se zpravidla zadává do výroby rám. Ten se každý rok musí dle pravidel modifikovat, takže každá evoluce formule je skutečným originálem. Virtuální model rámu vzniká v softwaru PTC Creo, který týmu poskytla firma AV Engineering. Navržené trubky je však potřeba nařezat na požadované rozměry z těch skutečných a zde se do hry dostávají první průmysloví partneři týmu, protože tým sám o sobě nedisponuje potřebným špičkovým vybavením, jaké má například firma SW-Motech, která pro tým TU Brno Racing zajistila laserové pálení trubek a plechů potřebných na stavbu rámu a kromě toho přispěla i cennými radami při jeho vývoji.

Počítačová vizualizace konstrukčních prvků formule s průhlednou kapotáží.

Počítačová vizualizace konstrukčních prvků formule s průhlednou kapotáží.

Rám, který se mimochodem letos podařilo oproti předchozím generacím o několik kilogramů odlehčit, využívá sedm různých tlouštěk trubek a dva rozměry čtvercových ocelových profilů. Zajímavostí je, že trubky k sobě kromě svarů poutá technologie zámků, když do sebe zapadají díly s tzv. „male and female“ zámky. Tento systém umožňuje šetřit čas při výrobě a nevyžaduje žádné speciální nástroje, které by nespojené díly držely při svařování. Při tom TU Brno Racing využívá technologie TIG, která nabízí nižší váhu a vhodnější tvar svarů.

Studenti si na projektu vyzkoušeli například ruční laminování podlahy.

Studenti si na projektu vyzkoušeli například ruční laminování podlahy.

S rámem je spojen také deformační člen, který musí být namontován na nose každé formule, aby se zajistila co nejvyšší bezpečnost při případné nehodě. Pravidla je na něj kladeno několik požadavků, jako jsou maximální hodnoty přetížení při zpomalování formule, minimální množství absorbovatelné energie či minimální rozměry. Deformační člen je k rámu přišroubován prostřednictvím čtyř šroubů, které drží hliníkový plech, na němž je samotný deformační člen. Poslední významnou částí spjatou s rámem je zahrádka motoru, která slouží k uchycení motoru do rámu a je mezičlánkem mezi motorem a rámem. Cílem této součásti je, aby šlo motor rychle a snadno vymontovat a také pomáhá tlumit vibrace od motoru, protože obsahuje silentbloky, které jsou u jednoválcového motoru kvůli vibracím nezbytné.

Pod kapotou draka

Kovový rám vozu se letos podařilo značný způsobem odlehčit.

Kovový rám vozu se letos podařilo značný způsobem odlehčit.

O pohon všech generací Dragonu se doposud staral vodou chlazený jednoválec Husaberg o objemu 570 ccm, který nebude chybět ani ve čtvrté evoluci brněnské studentské formule. Tento benzínový motor dosahuje nejvyššího výkonu 44 kW při 8800 otáčkách za minutu a o přenos výkonu od motoru ke kolům se stará ozubený řetěz. Nezbytnou součástí pohonného systému je diferenciál, který je v případě TU Brno Racing známé značky Drexler. Je to speciální díl přímo pro vozy Formule Student a současně jeden z mála dílů, které pocházejí od externího dodavatele a nejsou vyrobeny či navrženy členy týmu. Z diferenciálu vedou k zadním poháněným kolům poloosy, které jsou k němu přišroubovány. pracovali členové týmu a poctivě ho zkoušeli před ostrým nasazením při testech s Dragonem 3. Tento systém řazení, který využívá dílů od společnosti Festo, by měl umožnit rychlejší řazení rychlostních stupňů. Vypočtená hodnota se pohybuje okolo pěti setin sekundy.

Podvozek plný značek

Digitální prototyp formule vznikal v CAD softwaru PTC Creo.

Digitální prototyp formule vznikal v CAD softwaru PTC Creo.

Na tratích kroutících se jako had, kterými jsou z důvodu bezpečnosti závody Formule Student proslulé, je správně navržený a nastavený podvozek nezbytností, bez které nelze pomýšlet na dobrý výsledek. Těhlice na přední nápravě jsou vyrobeny z hliníkové slitiny Certal a o obrobení jedné z nejsložitějších částí auta se postaralo školicí středisko generálního partnera týmu – společnosti Bosch. Zadní těhlice pro změnu vyrobila brněnská S&K Tools, kde se taktéž postarali o vznik předních a zadních nábojů kol.

Pro sezónu 2014 zvolil tým TU Brno Racing třináctipalcová kola z magnéziové slitiny světoznámé značky OZ Racing, která Formuli Student podporuje již delší dobu. Díky vybranému materiálu bude jedno kolo vážit 2,4 kilogramu, což znamená úsporu hmotnosti oproti minulosti. Na jednotlivé disky přijde stejně jako ve všech předchozích letech obout pneumatiky americké značky Hoosier. A-ramena a všechny tyče podvozku, vyrobené ze speciální slitiny oceli, pomáhala zrealizovat Střední škola v Jedovnici a společnost CCI Valce, jejíž brněnská svařovna vždy doslova na počkání řeší veškeré svařovací požadavky členů týmu a kromě zmíněného zavěšení se také starala i o svaření rámu a obrobení centrálních titanových matic. Aby se v ramenech vše hýbalo, jak má, jsou v nich nalisována ložiska od firmy Festo a aby díly vypadaly pěkně, absolvovaly povrchovou úpravu komaxitem u společnosti Unwork.

Na výsledku závodu hraje velkou roli také tlumení. Dragon 4 je osazen tlumiči švédské značky Öhlins TTX 25, která je v motoristickém sportu dobře známá. Na přední nápravě jsou uloženy systémem pull-rod, jenž umožňuje týmovou jednotku tlumičů a stabilizátoru umístit pod nohy řidiče, což je má příznivý vliv na těžiště a také na snížení váhy. Zadní náprava je naopak v konfiguraci push-rod, kdy je jednotka tlumičů a stabilizátoru uložena nad rámem vozu, což umožňuje jejich velmi dobrou přístupnost.

O brždění se starají kotouče Goldfren o průměru 220 mm vepředu a 200 mm na zadní nápravě, které firma vyrábí dle návrhu týmu a do kotoučů se zakusují brzdiče ISR, v případě přední nápravy čtyřpístové a vzadu dvoupístové. Oproti loňsku došlo i na těchto dílech ke zmenšení rozdílů vlivem příznivější váhy a jejího rozložení u Dragonu 4.

Ostře sledované závody

Významnou roli u této studentské formule hraje bezesporu elektronika, kterou je auto doslova nacpáno. Jejím úkolem je v podstatě to, aby auto vůbec fungovalo a patří pod ni řídicí jednotka, tzv. dashboard, systém řazení pádly pod volantem, datalogger a telemetrie. Například řídicí jednotka DTA Fast, určená pro závodní použití, obsahuje palivovou mapu, pro kterou je motor odladěný na motorové brzdě. Díky spolupráci s lambda sondou řídí bohatost palivové směsi či poskytuje funkce, jako kontrolu trakce či tzv. launch control, která má velký význam při startech, protože omezuje prokluz zadních hnaných kol. Zajímavé je řazení pádly pod volantem, které po stisknutí pádla na několik milisekund vypne zapalování, čímž se motoru ulehčí při řazení a pomocí pneumatického pístu je provedeno samotné zařazení rychlosti. Pro sběr dat všeho druhu slouží datalogger Race Technology, což je další z kupovaných dílů a jeho úkolem je zaznamenávat v průběhu jízdy informace ze všech senzorů spolu s GPS souřadnicemi a hodnotami zrychlení, které následně ukládá na paměťovou kartu. Díky získaným datům umí členové týmu následně zobrazit údaje o jízdě. Perličkou je, že toto zařízení umí zapínat i GoPro kameru pro vizuální záznam jízdy.

Neméně důležitým nástrojem pro analýzu jízdy je telemetrie, která je kompletně ve vývoji jednoho z členů týmu. V podstatě se jedná o malý počítač, který si vozí Dragon s sebou. Jako zajímavost uveďme, že je vybaven procesorem s frekvencí 1 GHz, 512 MB paměti a distribucí operačního systému Linux. Telemetrie se skládá z gyroskopu, akcelerometru, GPS modulu a stahuje všechna data z CAN sběrnice. Tato jsou jednak ukládána na paměťovou kartu, ale také pomocí Wi-Fi odesílána na počítač, který je vybaven vlastnoručně vyvinutým programem, jenž data zobrazuje v přímém přenosu, takže člověk sedící před počítačem vidí, co se s formulí zrovna děje.

Nezbytné informace v průběhu jízdy poskytuje pilotovi palubní deska originální konstrukce, vyrobená z uhlíkových vláken metodou vakuového laminováni šetřící váhu. Její součástí jsou také ovládací prvky k nastavení věcí nutných před samotnou jízdou. V centrální části dashboardu se nachází velký displej, který dle nastavení umí zobrazit rychlost jízdy, otevření škrticí klapky, teplotu chladicí kapaliny atd. Další displej, obklopený varovnými diodami, zobrazuje zařazený rychlostní stupeň. Diody upozorňují na nutnost přeřazení – jejich barva je indikátorem výše otáček. Kromě zmíněných displejů a diod jsou na dashboardu tlačítka pro nastavení, startovací tlačítko, regulátor startovních otáček či rozložení brzdné síly mezi nápravami.

Nepodceňovaná aerodynamika

Ačkoliv by se mohlo zdát, že kapotáž při rychlostech, v jakých jezdí studentské formule, nehraje příliš velkou roli, skutečnost je trochu jiná. Přítlak, který vygenerují správně nastavené spojlery a křídla, se pozitivně projeví na dosahovaných časech, kdy mají vozy vybavené aero paketem výhodu zejména v nejtechničtějších částech trati.

Atraktivní kapotáž si tým TU Brno Racing navrhuje a z části i vyrábí vlastními silami, ale do hry vstupují i průmyslová partneři týmu. Materiál na výrobu forem dodává popůvský Transtech Tooling a o výrobu forem se stará jeho sesterská firma 3Tooling. Samotná výroba kapotáže je na bedrech členů týmu, kteří si sami laminují jednotlivé díly, takže si vyzkoušejí práci s pryskyřicemi či skelnými a uhlíkovými tkaninami. Velkou novinkou pro letošní rok bude jistě to, že díky podpoře od společnosti Tomuli, která týmu dodala širokou škálu technických tkanin, bude kapotáž poprvé z karbonu, nikoliv ze sklolaminátu jako doposud, což přispěje ke snížení hmotnosti celého vozu.

Nejviditelnější změnou na Dragonu 4 oproti předchozí generaci bude aero paket s výrazným předním a zadním křídlem, které jsou z důvodu flexibilnosti vyrobeny ze shodných elementů, přičemž křídlo na přídi i zádi bude každé tvořeno dvěma elementy. Méně viditelnou, ale neméně důležitou součástí aero paketu, je podlaha s difuzory, která má zlepšit proudění vzduchu pod vozem a zvýšit přítlak. Všechny prvky aero paketu jsou s ohledem na minimalizaci hmotnosti vylaminovány z uhlíkové tkaniny a i zde se o výrobu vakuovým laminováním většiny dílů postarali sami studenti. Jak je dobrým zvykem v motorsportu, aero prvky prošly ve fázi konstruování počítačovými simulacemi proudění vzduchu (CFD) a díky tomu dostaly co možná nejvhodnější podobu.

Vstříc cílovým rovinkám

Především kvůli použití aerodynamických prvků je formule Dragon 4 oproti předešlé verzi na výrobu mnohem časově náročnější. Výroba křídel a podlahy zabrala stovky hodin prací. V této chvíli se na dílně nachází kompletní rám formule, ve kterém je usazen motor s hnacím ústrojím, chlazením a výfukovými svody. Do výroby jsou zadány svazky kabeláže, které na míru vyrábí firma Rayservice. Dokončují se také práce na zavěšení formule.

Posledními díly použitými na formuli budou jednotlivé kusy kapotáže. Ta se v době přípravy tohoto článku vyrábí na pětiosých obráběcích centrech v partnerské firmě MCAE Systems a jedna část vzniká vůbec poprvé přímo na škole. Po dokončení těchto částí bude formule kompletní a vyjede na testovací okruh. Do závodů, které tým čekají v průběhu srpna, by již měla mít najezděny stovky kilometrů a vyzkoušena různá nastavení.

Závodní sezónu začne nejprestižnější podnik Formula Student Germany, který se koná na slavném okruhu Hockenheimring mezi 29. červencem a 3. srpnem. Hned o následujícím víkendu se tým přesune do Hradce Králové na FS Czech Republic a o zakončení se tradičně postará závod v Maďarsku konaný od 21. do 24. srpna.

Jako partner týmu TU Brno Racing vás bude časopis Konstruktér o jeho dalších úspěších pravidelně informovat.

Brněnští konstruktéři formulí

Brněnští konstruktéři formulí

Brněnští konstruktéři formulí

TU Brno Racing je týmem účastnícím se soutěže Formula Student, který funguje pod brněnským VUT. Tým byl založen na podzim v roce 2010 a v létě roku následujícího se s vozem Dragon 1 vydal na svůj první závod. Každý následující rok znamenal další evoluci formule a od druhého roku se tým účastní tří závodů. Vloni se poprvé podíval i na nejprestižnější podnik FS Germany konaný na slavném okruhu Hockenheimring. Doposud nejlepším výsledkem, kterého TU Brno Racing dosáhl, bylo 5. místo na FS Czech Republic.

Co je studentská formule?

Formula Student (FS) je evropskou odnoží původně americké soutěže Formula SAE. Jedná se o prestižní soutěž univerzitních týmů složených ze studentů a akademiků. První zmínky o soutěži nalézáme v roce 1981, kdy myšlenka závodů univerzit vznikla v USA. Do Evropy se dostala o 17 let později. Závody se nekonají pouze na těchto kontinentech. Kromě vybraných amerických a evropských států je soutěž pořádána také v Brazílii, Japonsku a Austrálii. Celkově se závodů účastní přes tři sta týmů z celého světa, a proto není nutné zdůraznit, jak důležitou roli sehrává účast na takovémto závodu v ratingu a prestiži celé univerzity.

Cíl soutěže zůstává každým rokem stejný. Kromě získání cenných zkušeností účastníků a navázání přátelských kontaktů s kolegy ze zahraničí je hlavním smyslem ukázat světu schopnost postavit vlastní jednomístné závodní auto, které musí být dobře ovladatelné, výkonné, spolehlivé a bezpečné a které by také mělo být estetické, co nejvíce ekologické a pokud možno levné. Je proto nezbytné využít co nejvíce dostupných součástí. Úkolem každého týmu je sehnat si veškeré prostředky na tak náročný úkol, jakým stavba závodního speciálu bezpochyby je.

Dle pravidel by měl být potenciálním zákazníkem víkendový neprofesionální závodník autokrosu nebo sprintu. Vítězný tým každého závodu je určen na základě bodového hodnocení závodních disciplín. Je samozřejmé, že nejen kvalita vozu, ale také kvalita a zručnost samotného závodníka, sehrává na okruhu velkou roli.

Prezentace týmu TU Brno Racing. Napsal Jakub Kura.

www.tubrnoracing.cz

 

Mohlo by vás také zajímat

Přidejte k článku svůj komentář

Komentář podléhá autorizaci ze strany redakce, proto se nezobrazí ihned po vložení. Vyhrazujeme si právo odstranit příspěvky, které jsou v rozporu s dobrými mravy nebo platnou legislativou. Slušnou a konstruktivní diskusi vítáme!