KIEROWNICA BOLIDU FORMUŁY STUDENT- o kompozytach i nie tylko

W motorsporcie używanie różnego rodzaju materiałów kompozytowych jest standardem. Jednym z najczęściej używanych są laminaty z włókna węglowego, które są stosowane wszędzie tam, gdzie wymagany jest wysoki stosunek wytrzymałości do masy.
W niniejszym artykule dowiecie się, jak zespół PUT Motorsport wykorzystuje laminaty z włókna węglowego oraz jak tworzy z niego jedne z głównych elementów konstrukcyjnych nowych bolidów. 

Tworząc komponenty do każdego kolejnego bolidu, czerpiemy jak najwięcej z poprzednich konstrukcji. Analizujemy wszystkie “za” oraz “przeciw” dla danego podzespołu, a następnie staramy się go w możliwie największym stopniu udoskonalić. W myśl słynnego cytatu “masa wrogiem przyspieszenia” staramy się aby każdy komponent, przy pełni funkcjonalności i wymaganej wytrzymałości, posiadał jak najniższą masę. W tym przypadku z pomocą przychodzą laminaty, czyli kompozyty powstałe na skutek połączenia dwóch lub więcej materiałów o różnych właściwościach mechanicznych, fizycznych i technologicznych.

W zespole PUT Motorsport korzystamy głównie z laminatów carbonowych, czyli połączenia włókna węglowego z żywicą. Tego typu materiał charakteryzuje się bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi (nawet 5-krotnie wytrzymalszy od niektórych gatunków stali) już przy bardzo cienkich warstwach laminatu.

“Jednym z najlepszych środków przeciw starzeniu jest jak najczęstsze siadanie za kierownicą auta wyścigowego.”

Juan Manuel Fangio, argentyński kierowca Formuły 1, pięciokrotny mistrz świata

 

Kierownica jest niezbędnym elementem każdego pojazdu. Bez niej kierowca nie byłby w stanie zmieniać kierunku jazdy. Na jej podstawie chcemy pokazać, jak nasz Zespół wykorzystuje nowoczesne materiały – od projektu aż po wykonawstwo

Zaczynając od początku, musimy określić, co tak naprawdę będzie robić nasza kierownica. Wiadomo, że będzie pomagać kierowcy skręcać, ale czy w bolidzie, patrząc na kierownice teraźniejszych bolidów Formuły 1, jest to zwykłe koło przymocowane do drążka kierowniczego? Otóż nie! Znajduje się na niej mnóstwo przycisków, które odpowiadają za sterowanie bolidem w trakcie jazdy.

Przy projektowaniu kierownicy do naszych konstrukcji zespół postanowił postawić na prostą obsługę. W bolidzie klasy Formuly Student jest dużo mniej skomplikowanych systemów, a co za tym idzie mniejsza konieczność ciągłej zmiany ustawień pojazdu w czasie jazdy. W związku z tym zdecydowaliśmy o umieszczeniu czterech przycisków w taki sposób, aby kierowca był w stanie używać ich naciskając je kciukami, czyli dwa po prawej i dwa po lewej stronie. Dodatkowo do zmiany nastaw poziomu kontroli trakcji i momentu silnika umieściliśmy dwa obrotowe przełączniki, jeden po prawej, a drugi po lewej stronie.

Następnym czynnikiem, który jest najważniejszy dla kierowcy po określeniu funkcjonalności kierownicy, jest ergonomia. Pędząc po krętych i wąskich torach podczas zawodów FS – konieczny jest pewny chwyt kierownicy. Mając na uwadze, aby kierowca czuł się pewnie, zaprojektowaliśmy kilka prototypowych “gripów” (czyli elementów, które są bezpośrednio trzymane podczas jazdy) i sprawdziliśmy bezpośrednio, który jest optymalny dla każdego z kierowców.

Po ustaleniu wymienionych powyżej kwestii, jeszcze zanim zaczniemy projektować powinniśmy wstępnie określić, w jaki sposób oraz z czego będzie wykonana nasza kierownica. Z uwagi na niską masę i wysoką sztywność postawiliśmy oczywiście na carbon. Konieczne było zaprojektowanie kierownicy w taki sposób, aby możliwe było później wykonanie form, które posłużą do przygotowania laminatu.

W trakcie projektowania stwierdziliśmy, że kierownica będzie łączona z dwóch części – przedniej i tylnej. W związku z tym konieczne było zaprojektowanie dwóch form negatywowych. Formę można wykonać z wielu materiałów, tj. płyty epoksydowej, płyty mdf, tworzywa lub metalu. Z uwagi na powtarzalność i trwałość formy wybrano ten ostatni materiał – konkretnie aluminium. Dzięki współpracy zespołu z firmą AW Forged udało się wykonać formy wg naszego projektu z wykorzystaniem obrabiarki CNC.

Rozróżniamy dwa rodzaje włókna węglowego – suche oraz mokre (prepreg).

Włókno suche to nieprzesączona tkanina węglowa. Dopiero po zaaplikowaniu żywicy (najlepiej epoksydowej), tkanina węglowa tworzy wytrzymały kompozyt.

Czym innym jest pre-preg, czyli tkanina już na etapie produkcji przesączona żywicą zmieszaną z wolno wiążącym utwardzaczem. Pre-pregi przechowuje się w odpowiednio niskiej temperaturze, aby nie dochodziło do ich utwardzenia w trakcie przechowywania. Plusy pre-pregów to ściśle określony, wyjątkowo korzystny stosunek masy tkaniny (zbrojenia) do żywicy. Minusem niewątpliwie jest cena materiału i wysoki koszt wdrożenia produkcji opartej na pre-pregach. Włókno węglowe typu pre-preg wykorzystywane jest między innymi w bolidach F1 i supersportowych autach, takich jak Pagani czy Koenigsegg.

Do wykonania kierownicy wykorzystamy włókno typu prepreg.

No to co, mamy formy, mamy wybrany rodzaj wykonania, to teraz przystępujemy do działania!

Na początku koniecznym było przygotowanie form. Pomimo iż spod maszyny wyszły gładkie, to nie jest to wykończenie powierzchni, które jest konieczne, aby kierownica była świecąca i żeby laminat w ostateczności dał się oddzielić od formy. W związku z tym konieczne było ręczne szlifowanie i polerowanie.

Po przygotowaniu formy możemy przystąpić do laminowania. Na początku nakładamy kilka warstw uszczelniacza do form, a następnie rozdzielacza chemicznego – w celu łatwiejszego oddzielenia końcowego laminatu od formy. Później zaczynamy układać warstwy wcześniej przygotowanego carbonu. Ilość warstw oraz ich ułożenie dla każdego przypadku i komponentu różni się w zależności od wymaganej wytrzymałości.

Po ułożeniu wszystkich warstw, musimy się upewnić, że są one ze sobą mocno połączone i ciasno przylegają do formy. W tym celu zamykamy całość w worek próżniowy i wysysamy całe powietrze za pomocą pompy próżniowej.

Aby uzyskać wymagane właściwości końcowego laminatu, musimy wygrzać w odpowiedniej temperaturze włókno prepreg. Najczęściej robi się to w dużych komorach, zwanych autoklawem. W naszym przypadku, z uwagi na wielkość formy wystarczy piecyk, który nagrzewamy do 120 °C. Czas wygrzewania również różni się w zależności od tego, jakie właściwości chcemy uzyskać. W przypadku kierownicy wystarczyło około 2-3 godzin.

Bardzo ważnym jest, aby wyciągać laminat przy pomocy odpowiednich narzędzi tak, aby przez przypadek go nie uszkodzić.

Końcowy laminat obrabiamy ręcznie przy użyciu narzędzi, wycinając technologiczne naddatki. W celu zapewnienia większej wytrzymałości nasi konstruktorzy wypełnili kierownicę pianką o dużej sztywności, ale małej gęstości.

Na koniec dodajemy przyciski i montujemy wszystkie konieczne elementy montażowe. Umieszczamy kierownice w bolidzie i można jechać!

Jeśli dotarłeś aż tutaj to bardzo dziękujemy, że zechciałeś przeczytać cały artykuł. Mamy nadzieję, że wiedza o tym, jak wykonujemy elementy z carbonu, przyda się Tobie w rozwoju swojego hobby i przyczyni się do tworzenia niezwykłych rzeczy z włókna węglowego! Jeśli chcesz zobaczyć jak wyglądał cały proces, zachęcamy do obejrzenia krótkiego filmiku przedstawiającego poszczególne etapy!

Do zobaczenia na TORZE!!!! 🏎️