Formula Student Σχεδιασμός και Κατασκευή

Formula Student Σχεδιασμός και Κατασκευή Δρ. Αντώνιος Λόντος, Επ. Καθηγητής Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Frederick Γ. Φρειδερίκου 7, Παλλουριώτισσα, 1036 Λευκωσία, Κύπρος Τηλ.: +357-22394394, Website: www.frederick.ac.cy Fig.: 1

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ 1. Εισαγωγή 2. Διαγωνισμός Formula Student στα Πανεπιστήμια 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής 4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick (FUF 2015) Fig.: 2

Ιστορία αγώνων ταχύτητας Ο πρώτος οργανωμένος αγώνας ήταν στις 28 Απριλίου του 1887 στη Γαλλία. Διαδρομή 2 χιλιομέτρων και κερδήθηκε από τον Bouton. Στον αγώνα ήταν μόνος του οπότε μάλλον είναι δύσκολο να το ονομάσουμε κούρσα. Ο πρώτος παγκόσμιος αγώνας έγινε στο Παρίσι στις 23 Ιουλίου 1894, (Οργανώθηκε από το περιοδικό Paris to Rouen). 1. Εισαγωγή Fig.: 3

1934 to 1939 Grand Prix Racing Mercedes-Benz and the Silver Arrows 2015 Formula 1 Mercedes-Benz 1. Εισαγωγή Fig.: 4

Αγωνιστικό αυτοκίνητο Formula 1 Αγωνιστικό αυτοκίνητο Formula Student Video: 01 Movie 1. Εισαγωγή Fig.: 5

Διαγωνισμός Formula Student Ο διαγωνισμός Formula Student (FS) είναι ο πιο αναγνωρισμένος διαγωνισμός αγωνιστικού αυτοκινήτου στον κόσμο σε επίπεδο Πανεπιστημίων. Στόχος του διαγωνισμού είναι να εμπνεύσει και να καλλιεργήσει την επιχειρηματικότητα των νέων επιστημόνων κυρίως του κλάδου της μηχανικής. Συμμετέχουν πανεπιστήμια από όλο τον κόσμο όπου καλούνται να σχεδιάσουν και να κατασκευάσουν ένα μονοθέσιο αγωνιστικό αυτοκίνητο, προκειμένου να ανταγωνιστεί σε στατικές και δυναμικές εκδηλώσεις. Για τους φοιτητές Ο διαγωνισμός Formula Student τους δίνει την ευκαιρία να αποδείξουν τις ικανότητές τους στον μηχανολογικό σχεδιασμό, την κατασκευή και στην χρήση νέων τεχνολογιών. Επιπλέον, μαθαίνουν και εφαρμόζουν αρχές όπως η ομαδική εργασία, σωστή διαχείριση χρόνου, διαχείριση ενός μεγάλου έργου, προϋπολογισμός ενός έργου και πως γίνεται παρουσίαση μιας νέας κατασκευής. Πράγματα που κάθε μελλοντικός εργοδότης ψάχνει στους νέους υπαλλήλους. 2. Διαγωνισμός Formula Student Fig.: 6

Ιστορία Formula Student Η ιστορία του διαγωνισμού Formula Student ξεκίνησε το 1981 όταν ο Σύνδεσμος Μηχανολόγων Αυτοκινήτων (Society of Automotive Engineers, SAE) στις Ηνωμένες Πολιτείες άρχισε να τρέχει το πρόγραμμα. Δομή του Διαγωνισμού 1. Formula SAE Michigan held in Michigan, USA and organized by SAE International 2. Formula SAE Lincoln held in Nebraska, USA and organized by SAE International 3. Formula SAE Australasia held in Australia and organized by SAE Australasia 4. Formula SAE Brazil held in Brazil and organized by SAE Brazil 5. Formula SAE Italy held in Italy and organized by ATA 6. Formula Student held in the United Kingdom and organized by IMechE 7. Formula Student Germany held in Germany and organized by VDI. 2. Διαγωνισμός Formula Student Fig.: 7

Αγωνιστικό μέρος Σύμφωνα με το αγωνιστικό πρόγραμμα κατά την διάρκεια των αγώνων η κάθε ομάδα πρόκειται να διαγωνιστεί σε διάφορες κατηγορίες όπως: Μηχανολογικός σχεδιασμός Τεχνική επιθεώρηση Ανάλυση του κατασκευαστικού κόστους Παρουσίαση του αυτοκινήτου Επιχειρηματικός σχεδιασμός Αγωνιστική αντοχή του αυτοκινήτου Οδήγηση σε δύσκολες συνθήκες Αγώνας επιτάχυνσης Οικονομία στα καύσιμα Events Maximum Points Static Presentation 75 Engineering Design 150 Cost Analysis 100 Acceleration 75 Dynamic Skid-Pad 50 Autocross 150 Fuel Economy 100 Endurance 300 Total Points 1000 2. Διαγωνισμός Formula Student Fig.: 8

Skid pad event layout Autocross Event Ο στόχος είναι η αξιολογήσει της ικανότητας ελιγμών του αυτοκινήτου και τα χαρακτηριστικά χειρισμού σε μια ασφυκτική διαδρομή. Fuel Economy Οικονομία καυσίμου του αυτοκινήτου η οποία να μετράται σε συνδυασμό με την αντοχή. Endurance Αξιολόγηση της συνολικής απόδοση του αυτοκινήτου και να δοκιμαστεί η αντοχή και η αξιοπιστία του (Διαδρομή περίπου 22 χιλιόμετρα) Video: Formula autocross 2. Διαγωνισμός Formula Student Fig.: 9

Οργάνωση ομάδας Formula Student Προώθηση Πωλήσεις Marketing, Sales, Support Σχεδιαστικοί και κατασκευαστικοί στόχοι Design Goals / Targets Σχεδιασμός διαδικασίες ανάπτυξης Design & Development Processes Οικονομικά διαφήμιση Finance & Commercial Επιχειρηματικό πλάνο Παραγωγικοί και Βιομηχανικοί περιορισμοί Production Compromises/ Manufacturability Αγορά και ανάγκες Market Requirements Πρωτότυπο αγωνιστικό αυτοκίνητο The Prototype Car Κατασκευή Manufacturing 2. Διαγωνισμός Formula Student Fig.: 10

Κύρια μέρη Αγωνιστικού αυτοκινήτου Σκελετός αυτοκινήτου Chassis Design Ανάρτηση & Αμορτισέρ - Suspension & Shocks Σύστημα Διεύθυνσης - Steering System Φρένα, Τροχοί & Ελαστικά - Brakes, Wheels & Tires Κινητήρας & Μετάδοση Ισχύος - Engine & Drivetrain Κατασκευή Αμαξώματος, Πλαισίου - Frame & Body construction Αεροδυναμικά μέρη - Aerodynamics Εργονομία, Κάθισμα & Ασφαλής Οδήγησης - Ergonomics, Seat & Safety Ηλεκτρικά, Ηλεκτρονικά & Μηχατρονική - Electrical & Electronics, Controls Άλλα σημαντικά στοιχεία Δημόσιες Σχέσεις & Χορηγίες Κανονισμοί, Τελικός Έλεγχος & Επιθεωρήσεις Υπολογισμοί, Προσομοιώσεις και Βελτιστοποιήσεις Video: Formula parts 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 11

Σκελετός αυτοκινήτου Chassis Design Μεταλλική κατασκευή από εξειδικευμένο ατσάλι. Ο σκελετός θα πρέπει να είναι άκαμπτος να παρέχει ασφάλεια στον οδηγό και να εφαρμόσουν σε αυτόν όλα τα υπόλοιπα συστήματα όπως η μηχανή, το σύστημα ανάρτησης και διεύθυνσης. PDF: 3D formula car 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 12

Τεχνικές Προδιαγραφές Κανονισμοί (Chassis Design) Προστασία Οδηγού Όρια καμπίνας οδηγού 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 13

Θέση οδηγού Formula Student Θέση οδηγού Αυτοκινήτου Θέση οδηγού Formula 1 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 14

Ανάρτηση & Αμορτισέρ - Suspension & Shocks Στο αγωνιστικό, η ανάρτηση (μαζί με το σύστημα διεύθυνσης) έχει σημαντική επίδραση στις συνθήκες λειτουργίας του αυτοκινήτου, των ελαστικών, συμπεριλαμβανομένων των φορτίων, μεταβολή του φορτίου, γωνία κλίσης και σύστημα διεύθυνσης. Η σχεδίαση του συστήματος ανάρτησης είναι ίσως το πιο σημαντικό και πιο δύσκολο έργο. Πίσω ανάρτηση 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 15

Ανάρτηση μπροστά Ανάρτηση πίσω 1 Coil over shock absorber 2 Tire 3 Wheel 4 Steering arm 5 Tie rod 6 Rack and pinion 7 Rocker (or bellcrank) 8 Push rod 9 Suspension arm (or suspension linkage/ wishbone) 10 Upright 11 Toe link 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 16

Ανάρτηση μπροστά, αυτοκίνητο FSAE Ανάρτηση πίσω, αυτοκίνητο FSAE 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 17

Σύγχρονα μηχανήματα που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή TIG Welding 3 axis CNC router Laser Cutter Video: pipe bending Video: Laser cutting Pipe Video: tube cutting Fig.: 18

Σύστημα Διεύθυνσης - Steering System Το σύστημα διεύθυνσης επιτρέπει στο όχημα να ακολουθήσει την επιθυμητή πορεία. Ο βασικός στόχος είναι να εξασφαλιστεί ότι οι τροχοί δείχνουν στην επιθυμητή κατεύθυνση. Ταχυσύνδεσμος (Quick release mechanism) Συναρμολόγηση συστήματος διεύθυνσης Μηχανισμός γραναζιών (Rack and Pinion mechanism) 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 19

Τιμόνι από Formula Student Τιμόνι από Formula 1 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 20

Φρένα, Τροχοί & Ελαστικά - Brakes, Wheels & Tires Το σύστημα φρένων βρίσκετε δίπλα στην ανάρτηση των τροχών. Η επιλογή των υλικών και γεωμετρίας του σε συνδυασμό με τα ελαστικά, αποτελούν σημαντικά στοιχεία για μέγιστη απόδοση. Όσο πιο αποτελεσματικό είναι το σύστημα πέδησης τόσο περισσότερο μπορεί επιταχύνει ή να επιβραδύνει (μεγάλο εύρος ταχύτητας). Σύστημα φρεναρίσματος μπροστά Σύστημα φρεναρίσματος πίσω 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 21

Τροχοί & Ελαστικά Τα ελαστικά είναι πολύ σημαντικά μέρη του αγωνιστικού αυτοκινήτου. Είναι το μόνο τμήμα του οχήματος που έρχεται σε επαφή με το έδαφος. Όλες οι δυνάμεις και ροπές κατά την επιτάχυνση και επιβράδυνση του οχήματος μεταφέρονται από τα ελαστικά. Slick tires Wet tires 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 22

Κινητήρας & Μετάδοση Ισχύος - Engine & Drivetrain Από την αρχή του διαγωνισμού Formula Student στις αρχές του 1980, ο κινητήρας πρέπει να είναι εμβολοφόρος 4-χρονος με 610 cc. Το 600 cc επιλέχθηκε επειδή υπήρχε ένας αριθμός διαθέσιμων κινητήρων μοτοσικλετών που παρέχουν υψηλή απόδοση και έχουν χαμηλό βάρος. Το επιπλέον 10 κ.εκ. προστέθηκαν να επιτρέψει τυχόν ανακαίνιση των κυλίνδρων της μηχανής. Μηχανή σε δυναμόμετρο 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 23

Οι πιο κοινές μηχανές που χρησιμοποιούνται στο διαγωνισμό FSAE είναι η Honda CBR 600, Honda CRF 450X και η Yamaha WR 450F. Οι κινητήρες αυτοί είναι από μοτοσυκλέτες δρόμου (street) ή εκτός δρόμου (off-road) και διαθέτουν μεγάλη σχέση μετάδοσης στο κιβώτιο ταχυτήτων για πλήρη αξιοποίηση της ισχύος. Honda CBR600RR engine Yamaha WR450F engine 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 24

Κατασκευή Αμαξώματος, Πλαισίου - Frame & Body construction Δεν πρέπει να υπάρχουν ανοίγματα μέσω του αμαξώματος στη θέση του οδηγού από το μπροστινό μέρος του οχήματος μέχρι την πίσω μπάρα. Ελάχιστα ανοίγματα γύρω από τα μπροστινά μέρη της ανάρτησης επιτρέπονται. Αμάξωμα Formula 1 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 25

Για την κατασκευή του αμαξώματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν: Συστήματα CAM Μηχανή CNC 3D printer Υλικό από ανθρακονήματα 5 axis CNC machine Video: surfcam simulation Video: CNC cutting Video: 3D Rapid Prototype Video: 3D printer Metal Video: 3D Metal laser printer Fig.: 26

Αεροδυναμικά μέρη - Aerodynamics Όλα τα αγωνιστικά αλλά και τα εμπορικά αυτοκίνητα σχεδιάζονται λαμβάνοντας υπόψη το αεροδυναμικό σχήμα, με σκοπό να μειωθεί η αντίσταση του αέρα (drag) και να αυξηθεί η δύναμη κατώθησης (downforce). Video: carbon fiber material Video: Carbon fiber 01 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 27

Προσομοίωση ροής αέρα 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Video: Flow simulation Animation Fig.: 28

Εργονομία, Κάθισμα & Ασφαλής Οδήγησης - Ergonomics, Seat & Safety Η ασφάλεια είναι σημαντικό θέμα για τον αγώνα και τους διοργανωτές όπου γίνεται η μέγιστη προσπάθεια να ελαχιστοποιήσουν τον κίνδυνο, όχι μόνο για τους φοιτητές που συμμετέχουν ως μέλη της ομάδας, αλλά και για τους θεατές και τους εθελοντές. Πέρα από τους κανονισμούς και τις οδηγίες, όλοι οι εμπλεκόμενοι θα πρέπει να αναλάβουν προσωπικά την ευθύνη της φροντίδας της ασφάλειας. Attenuator 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Video: 04 Formula crash Fig.: 29

Ηλεκτρικά, Ηλεκτρονικά & Μηχατρονική - Electrical & Electronics, Controls Τα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά συστήματα είναι πολύ σημαντικά για την σωστή και ασφαλή λειτουργία του οχήματος. Συνδέονται σχεδόν με κάθε μηχανικό υποσύστημα του οχήματος. Το αυτοκίνητο δεν μπορεί να κινηθεί αν δεν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα. Η Μονάδα Ελέγχου Κινητήρα (Engine Control Unit/ΕCU), ή Κεντρική Ηλεκτρονική Μονάδα Ελέγχου, είναι ο εγκέφαλος του αυτοκινήτου. Είναι μια ολοκληρωμένη μονάδα ηλεκτρονικού υπολογιστή η οποία χρησιμοποιείται στον έλεγχο όλων των λειτουργιών του ηλεκτρικού συστήματος αλλά και άλλων υποσυστημάτων. Αντι-μπλοκαρίσματος φρένων (ABS) Αντι-ολίσθησης (traction control system) Ηλεκτρονικής ευστάθειας (ΕSΡ) Διατήρησης σταθερής ταχύτητας (cruise control) Ηλεκτρονική ανάρτηση Ηλεκτρονικός κλιματισμού σταθεροποίησης τάσης εξόδου της γεννήτριας Φόρτισης μπαταρίας Ηλεκτρονικό σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου Αισθητήρες που τροφοδοτούν τον εγκέφαλο του αυτοκινήτου με πληροφορίες: Θέση στροφαλοφόρου άξονα Θέση εκκεντροφόρου άξονα Θερμοκρασία ψυκτικού υγρού Αισθητήρας λ Μάζα εισερχόμενου αέρα Αισθητήρας κρουστικής καύσης 3. Διαδικασία Σχεδίασης και Κατασκευής Fig.: 30

Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick (Frederick University Formula FUF 2015) Η ομάδα Frederick University Formula (FUF) δημιουργήθηκε τον Μάρτιο του 2015. Οι πρώτες προσπάθειες για την δημιουργία της ομάδας έγιναν πριν από καιρό, μέσω πτυχιακών εργασιών παλαιότερων φοιτητών. Ο λόγος της δημιουργίας της ομάδας είναι να εκπροσωπήσει την Κύπρο με μια μελλοντική συμμετοχή (2016-17), στον παγκόσμιο θεσμό Formula Student. Στόχος των φοιτητών είναι να σχεδιάσουν, να κατασκευάσουν και να τρέξουν ένα μονοθέσιο αγωνιστικό αυτοκίνητο. Blue Silver Red R20, G50, B150 R100, G100, B100 R220, G0, B0 4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 31

Ο κύριος στόχος της ομάδας του Πανεπιστημίου Frederick, είναι η δημιουργία και διατήρηση μιας αυτόνομης ομάδας όπου θα σχεδιάσει και βελτιστοποιήσει αγωνιστικό μονοθέσιο αυτοκίνητο. Θα γίνει από φοιτητές σε συνεργασία με τους καθηγητές τους, με Κυπριακές εταιρείες αλλά και με συνεργάτες από το εξωτερικό. Οι φοιτητές με όλα τα σχεδιαστικά και κατασκευαστικά θέματα (κατασκευή σωληνωτού αμαξώματος, σύστημα ανάρτησης, διεύθυνσης, πέδησης, ψύξης, κάθισμα οδηγού, προγραμματισμό της μηχανής, εξωτερικό σώμα και αεροδυναμική, ηλεκτρονικός εγκέφαλος, εργονομία και ασφάλεια αυτοκινήτου. Η συμμετοχή των φοιτητών του πανεπιστημίου μας στο θεσμό αυτό θα τους βοηθήσει να εφαρμόσουν τις θεωρητικές τους γνώσεις στην πράξη, να έρθουν σε επαφή με επαγγελματίες και εταιρείες, καθώς και να αναπτύξουν ένα πνεύμα συνεργασίας και ομαδικότητας. Η προβολή που έχει ο διαγωνισμός είναι πολύ μεγάλη, έτσι μια μελλοντική συμμετοχή, όχι μόνο θα προβάλει το πανεπιστήμιο μας αλλά και την Κύπρο στο εξωτερικό. 4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 32

Αρχικές ιδέες από φοιτητές του Frederick 4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 33

Οργάνωση Ομάδας - FUF Team organization TEAM LEADER ASSISTANT TEAM LEADER TECHNICAL DIRECTOR Chassis Design (T01) Suspension & Shocks (T02) Steering System (T03) Brakes, Wheels & Tires (T04) Engine & Drivetrain (T05) Frame & Body Construction (T06) Aerodynamics and Simulation (T07) Ergonomics, Seat & Safety (T08) Electrical & Electronics, Controls (T09) Public Relation and Sponsors (T10) Rules and Regulations, Fit & Finish, Inspection (T11) 4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 34

Team Leader Vice team leader Technical Director Head of Chassis Design (T01) Head of Suspension & Shocks (T02) Head of Steering System (T03) Head of Brakes, Wheels & Tires (T04) Head of Engine & Drivetrain (T05) Head of Frame & Body construction (T06) Head of Aerodynamics and simulation (T07) Head of Ergonomics, Seat & Safety (T08) Head of Electrical & Electronics, Controls (T09) Head of Public Relation and Sponsors (T10) Rules and Regulations, Fit & Finish, Inspection (T11) Αρχηγός Ομάδας Βοηθός Αρχηγού Ομάδας Τεχνικός Διευθυντής Ομάδα Σχεδιασμού Σκελετού (Τ01) Ομάδα Ανάρτησης & Αμορτισέρ (Τ02) Ομάδα Συστήματος Διεύθυνσης (T03) Ομάδα Φρένων, Τροχών & Ελαστικών (T04) Ομάδα Κινητήρα & Μετάδοσης Ισχύος (T05) Ομάδα Κατασκευής Αμαξώματος - Πλαισίου (T06) Ομάδα Αεροδυναμικής & Προσομοίωσης (T07) Ομάδα Εργονομίας, Κάθισμα & Ασφαλής Οδήγησης (T08) Ομάδα Ηλεκτρικών, Ηλεκτρονικών & Μηχατρονικής (Τ09) Ομάδα Δημοσίων Σχέσεων & Χορηγιών (Τ10) Ομάδα Κανονισμών, Τελικού Ελέγχου & Επιθεωρήσεων (Τ11) 4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 35

4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 36

Video: UPDATED CHASSI ver02 simulation 4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 37

4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 38

Main core of Chassis Chassis part 3 Chassis part 2 Chassis part 1 Weld 1 Weld 2 4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 39

4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 40

4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 41

Σχεδίαση και χρήση εξειδικευμένου λογισμικού Solid: FUF Full Assembly 4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 42

Συναρμολόγηση και τελική παρουσίαση 4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 43

Εργαστηριακός χώρος και κατασκευή 4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 44

4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 45

4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 46

Σχεδιασμός και λειτουργία πίστας αγώνων ταχύτητας στην Κύπρο No Description 1 Length of the circuit 1920 meters 2 Width of the circuit 12 meters 3 Strait line length 200 meters 4 Number of karts 26 karts 5 Levels of difficulty 5 4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 47

Race circuit in Cyprus The Island 4. Παρουσίαση της Ομάδας του Frederick Fig.: 48

Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας Η Δημιουργικότητα περιλαμβάνει την παραγωγή νέων ιδεών ή τον συνδυασμό γνωστών δεδομένων σε κάτι καινούργιο, παρέχοντας αξία στο τελικό αποτέλεσμα. Fig.: 49