Představení nového monopostu FSE.07

Na startu letošní sezóny byl jen prázdný model a skupina lidí s nápadem a vizí, jak postavit sedmou generaci studentské elektrické formule týmu eForce FEE Prague Formula. Začátkem uplynulého školního roku započal vývoj, který v minulých týdnech vyvrcholil finální kompletací nového monopostu FSE 07. V tomto projektu se každoročně skloubí tisíce hodin práce za stolem i v dílně. V letošním roce tým sčítal více než čtyřicet členů. Studenty v tomto projektu motivuje převážně jeho komplexnost. Průřez inženýrskou prací dokáže členy přimět obětovat téměř veškerý volný čas práci pro tým. V projektu se mimo technického vývoje potýkáme i s prací v oblastech businessu, grafiky a projektového řízení. Dovolte nám představit jednotlivé části našeho nového vozu.

Chassis FSE.07 se od svého předchůdce liší ve střední a přední části. Zadní část zůstala geometricky nepozměněna. Celé chassis vozu se skládá z kompozitu sendvičového typu, jehož tvoří uhlíková vlákna a pěnová výztuž Rohacell 71WF. Takovýto monocoque je laminován prepregovou metodou a vypékán v autoklávu. Chassis je opatřeno dvěma ochrannými oblouky pro případ převrácení formule. Hlavní ochranný oblouk je z chrommolybdenové oceli a přišroubovaný k monocoque. Přední ochranný oblouk je duralový a zalaminovaný do kompozitní struktury. Střední část vozu byla vyhodnocena jako torzně nejpoddajnější a bylo nutno ji vyztužit jak geometricky tak i skladbou kompozitu. To s sebou nese sice zvýšení hmotnosti, avšak u materiálů lehkých jako kompozity, lze tento obchod udělat za cenu vyšší tuhosti. Na střední část plynule navazuje přední část. Ta musela být zvýšena a v důsledku bylo nutné zvětšit tloušťku pěnové výztuže, aby byl zajištěn minimální průhyb stěny monocoque od sil působících náprav. To by mělo za následek špatné chování vozu na trati. Celkově byla teda hmotnost na monocoque FSE.07 přidána, avšak za cenu vyšší torzní tuhosti, která je pro závodní vůz důležitým parametrem.

Jako deformační prvek byla použita kombinace pěnových segmentů a uhlíkové trubky s hliníkovým iniciátorem deformace. Oproti návrhu z minulé sezóny tento návrh zajistil větší stabilitu při testování nárazu a zachování velmi podobné hmotnosti deformačního členu. Tato sestava pro utlumení nárazu je upevněna na čtyřmilimetrové hliníkové desce, uchycené pevnostními šrouby pro zajištění maximálního bezpečí pilota.

Sedačka svou ergonomii nezměnila, změnily se však její připojovací body na monocoque. V minulém roce byla sedačka uchycena skrze pásy a monocoque osmimístnými šrouby M5, které byly letos nahrazeny čtyřmi kusy M10, které usnadní namontování sedačky a pásů. Stěžejní výhodou je tedy samotná instalace, která bude tím pádem mnohem rychlejší a praktičtější. S úpravou pásů nám pomohl náš partner ZF Friedrichshafen AG, který pro nás upravil koncové spony na závodních šestibodových pásech Schrott. Veškeré úpravy proběhnou i s řádnými zkouškami a certifikátem, na které je tato firma zaměřena. Celkový koncept je navíc lehčí o 120 gramů.

Bylo použito lichoběžníkového zavěšení. Geometrie náprav se od minulého roku nezměnila. Obměnou prošly především uchycovací body samotného zavěšení kol. Ty byly odlehčeny na základě výpočetních simulací. Rovněž byl změněn i technologický postup při jejich výrobě. V současnosti pracujeme společně s našim partnerem Compotech na vývoji namotávaných uhlíkových náprav, které by do budoucna mohly nahradit trubky z chrommolybdenové oceli 25CrMo4.

Pohon formule se pro následující sezónu změnil výrazným způsobem a to tak, že byly vyměněny všechny 4 motory. Doposud nás trápily problémy s přehříváním předních motorů vozu FSE.06, a taktéž byl neuspokojivý poměr kroutícího momentu mezi předními a zadními koly. Pomocí naměřených dat z trati bylo však rozhodnuto zmenšit vysoký výkon formule, který nelze na trati kvůli omezení pravidly využít, a ušetřit tak na pohonné soustavě 4 kg její celkové hmotnosti. Kroutící moment vozu se nezměnil, a FSE.07 si tak zachová 868 Nm. Došlo však k lepšímu přerozdělení mezi přední a zadní nápravou a to i díky novým převodovkám, jejichž zástavba v obou částech vozu nesla značné konstruktérské komplikace. Firma TG Drives, která dodává našemu týmu motory dle specifických závodních požadavků již od jeho vzniku přišla s novým systémem chlazení předních motorů typu M4 a s jeho pomocí vůz udělal opět velký krok vpřed v této oblasti. Maximální rychlost formule je dlouhodobě stanovena na 120 km/h a ani letos tomu nebude jinak. Zrychlení nového monopostu z 0 na 100 km/h se dostane pod 2,8 s.

Jednotka řízení dynamiky vozidla přerozděluje kroutící moment (torgue vectoring), nastavuje jízdní režimy a řídí prokluz kol. Při vývoji řídící jednotky rádi používáme rapid prototyping. Pomocí Simulinku jsme naprogramovali C kód kompatibilní s MISRA C. Výhodou tohoto řešení je vysoká modularita a rozšířené možnosti testování a simulací. Náš kód dokážeme využít pro virtuální jízdní zkoušky. Takto otestovaná jednotka nám ušetří hodně práce při sestavování a testování nového monopostu jako celku.

V předchozích letech se battery pack designoval podle připojovacích rozměrů s důrazem na co nejnižší váhu. Tyto požadavky silně omezovaly výstupní proud a menší kapacitu. Z těchto důvodů bylo auto limitováno v endurance závodu. Krabice akupacku byla vyrobena ze sendvičové struktury Kevlaru a Airexu. V battery packu je šest stacků zapojeno v sérii. Maximální napětí je 408 V s kapacitou 7,1 kWh. S váhou 48 kg dosahuje battery pack potenciálního výkonu 98 kW. Jako články byly nově použity baterie Sony VTC5a 18650. Nové články dokážou pracovat na vyšší okamžité zátěži s nižším vnitřním odporem než staré. I přes zvýšení hmotnosti akupacku se tento ústupek vyplatí, jelikož v královské disciplíně endurance se bude moci po celou dobu využívat vyššího výkonu vozidla.

Jednotka ECU Back pokračuje v minulém trendu informovanější diagnostiky a vylepšená je o přesněji ovládané chlazení a robustnější distribuci napájení. Je schopna efektivněji ovládat větráky chladícího okruhu PWM kompatibilními spínacími obvody. Napájení z baterie nízkého napětí a trakčního battery packu jsou kombinovány novým řešením na principu ideálních diod. V kombinaci s vyšším množstvím senzorů se toto řešení stává chybám odolnější a chytřejší základ pro funkci auta.

Jednotka ECU BACK ovládá základní logiku auta a ostatních jednotek monopostu. Pro komunikaci se zbylými jednotkami, která je nezbytná pro fungování stavového automatu řídícího logiku auta, se využívá CAN komunikační protokol. Controler area network (CAN) protokol je široce využíván v automobilovém průmyslu. Software ECU BACK FSE 07 byl oproti předchozí sezoně rozšířen o měření rychlosti otáčení zadních kol (získaná data jsou využívána jednotkou VDCU řídící kontrolu trakce), měření teplot chladícího okruhu a řízení chladicího okruhu pomocí PWM signálu. Řízení chladícího okruhu bylo nutné přidat z důvodu nových větráků a nových vodních pump, jejichž výkon a spotřeba energie je pro většinu situací zbytečně vysoká. Při vývoji programu byl nově kladen důraz na čitelnost kódu, usnadňující předání znalostí a urychlení vývoje v příštích letech. Pro vývoj srozumitelného kódu se začal využívat MISRA C standart kontrolovaný softwarem Polyspace společnosti MathWorks.

Samotný koncept řízení se v letos oproti minulému monopostu nezměnil. Systém řízení je i nadále tvořen dvěma propojenými ozubenými převody – ozubeným hřebenem a převodovkou s kuželovými koly umístěnou ve sloupku řízení. Tento rok se nesl ve vylepšení ergonomie, kdy byla vylepšena pozice, sklon a samotná ergonomie volantu. Tvar nového volantu garantuje lepší přirozenější úchop řidiče díky 3D tisknutému jádru, které je umístěno pod několika vrstvami uhlíkových vláken. Se změnou pozice volantu se nesla také změna sloupku řízení, který je vyroben pomocí 3D tisku z hliníkové slitiny. Sloupek je navrhnut pro minimalizaci veškerých vůlí v kuželovém ozubení i při zatížených spojených s prudkou změnou směru za velmi malých rychlostí.

Team žene touha pořád něco vyvíjet a zdokonalovat. Každá součást auta tak prochází neustálým vývojem a zdokonalováním. Po loňské sezóně, kdy nás trápila tuhost volantu, jehož koncept používáme již po několik generací bylo rozhodnuto, že otevřenost inovacím i v tomto směru je taktéž neopomenutelná. Základní myšlenkou tedy bylo, že nový volant by měl být nejenom tužší než minulý, ale měl by také líp sedět pilotovi v ruce. První cíl byl dovršen tak, že, namísto dělení volantu na dvě půlky byl vytvořen střed volantu z jednoho kompaktního celku, který je nerozebíratelný. Tento střed je připevněn na madla. Tělo volantu se opět skládá z kompozitního materiálu, ale jednotlivé strany odděluje 1 cm tlustá pěna. K řešení druhého problému byla využita metoda reverzního inženýrství, kdy byl volant vymodelován pomocí hlíny a vytvořily se tak záhyby pro články prstů a tento model byl následně zaslán na 3D scanner. Takhle byla získána polygonová síť, kterou nezbývalo víc, než zkonvertovat do pevného tělesa a následně kompletně přemodelovat. Madla volantu byla následně vytisknuta za pomoci 3D tiskárny. Mají v sobě dutinu, pomocí které byly přilepeny na tělo volantu. Součástí madel je rovněž otvor pro vnoření tlačítek. Tělo volantu však neponese stejný displej jako minulý rok, ale inovace si žádá většího rázu a tím je dotykový displej. Tlačítka s různými funkcemi pilotům na desce ovšem stále zůstanou, protože pro pilota by byl dotykový displej během jízdy nedostačující. Z druhé strany je do volantu zalemovaná překližka, která slouží k držení šroubů pro rychlospojku. Nový volant tedy nese prvky svého předchůdce, ale měl by odstranit jeho veškeré nedostatky.

Palubní deska je prvním rozhraním, ze kterého pilot získává informace o vozu a z toho důvodu je třeba, aby byla co nejlépe čitelná a dobře srozumitelná. Design nové palubní desky pro monopost FSE.07 je navržen tak, aby kopíroval tvar monokoku formule a přirozeně ho tak doplňoval. Palubní desce dominuje dvoubarevný LED bargraf BATTERY STATUS indikující stav nabití trakčního akumulátoru. Dále se na ní nachází několik kontrolek, které signalizují chybové a funkční stavy (např. kritické teploty, kontrolu trakce, stabilizaci apod.). Důležitým prvkem je senzor snímající vnější osvětlení palubní desky, díky kterému je možné regulovat jas LED signalizace tak, aby byla dobře viditelná i za přímého slunečního svitu a zároveň pilota neoslňovala při snížené viditelnosti.

Jedním z nejvíce znatelných rozdílů oproti vozu FSE.06 je zcela nové přední křídlo. To bylo vylepšeno nejen s ohledem na aerodynamické vlastnosti, ale také z důvodu nedostatečné tuhosti křídla předchozího. Návrh připravovaného předního křídlo vznikal bezmála 2 měsíce a jeho finální realizace by nebyla možná bez velmi váženého partnera, společnosti Mabid, která poskytla formy pro výrobu. Samozřejmě, současně se změnou předního křídla, bylo hlavním cílem v sezóně FSE.07 vylepšit i samotné aerodynamické vlastnosti vozu a zjednodušit a zpřesnit výrobu. Ve finále se oba cíle podařilo splnit s tím, že při navýšení přítlaku o 17,25 % a zlepšení efektivity aerodynamických prvků (poměr získaného přítlaku ku nabytému odporu) o 7,5% se snížil počet vyráběných dílů z 37 na 25, tedy skoro o jednu třetinu. Velký podíl na zjednodušení výroby má změna vnější části bočního křídla, kdy byla nahrazena sestava klapek „generátorem víru“. Pozitivní vliv na funkčnost má také přepracovaná zástavba chladičů v bočních hlavních profilech, a to změnou sacího a vyfukujícího otvoru a vnitřním uspořádáním kanálu. Na první pohled méně patrnou změnou prošlo i zadní křídlo, kde byla optimalizována vzájemná poloha klapek a celé křídlo bylo díky tomu posunuto dál od hlavního oblouku formule. Další novinkou tohoto roku je i komplexní nastavení aerodynamických prvků na disciplínu akcelerace, které slibuje o 0,2 sekundy lepší čas, než při standardním nastavení.

Za pomoci simulací v softwaru ANSYS Fluent, které můžeme provádět díky spolupráci s firmou TechSoft Engineering jsme optimalizovali polohu chladičů, u kterých se zvýšil průtok vzduchu a současně snížil vliv na aerodynamiku. K ochlazení chladící kapaliny v současné konfiguraci je třeba mít spuštěné větráky do rychlosti přibližně 45 km/h, což následně přispívá ke snížení spotřeby elektrické energie. U všech komponent vozu je snaha vždy snížit hmotnost oproti minulému roku a mírného snížení bylo dosáhnuto právě i u chladícího zařízení.

Celý koncept kabelových svazků (angl. harness) je navržen na základě zkušeností z rallye a ostatních motorsportů nebo i ze sériové výroby automobilů. Celá kabeláž je díky inspiraci z automotive rozdělená na jednotlivé svazky, které lze samostatně odpojit nebo případně jednoduše vyměnit jako celek. Byl tím získá hlavně velký prostor v rámci testování nebo tzv. „troubleshootingu“, kde je možné odpojit některé části auta a jednoduše tak detekovat problém.

Mimo rozdělení na jednotlivé svazky byly oděleny i svazky s vysokým napětím (high voltage – zkratka HV) i nízkým napětím (low voltage – zkratka LV). Hlavním důvodem je, že to vyžadují pravidla, ale díky oddělení byla omezena možnost rušení komunikací nebo napájení na svazcích LV. Použity byly konektory od firmy Deutsch a to jak pro LV tak pro HV svazky. Konektory od firmy Deutsch jsou nejprofesionálnější konektory, které lze na trhu sehnat a jsou využívány i v odvětví Aerospace (NASA, ESA, JAXA a další) nebo světově nejprofesionálnějšího motorsportu, Formule 1.

Další předností kabeláže je zvolení typu izolace vodičů. Jelikož je pro nás nejdůležitější kvalita a nízká hmotnost tak volba padla na izolaci TPFE – Teflon. Teflon je velice odolný proti chemickým i mechanickým vlivům, kterému mohou být svazky vystaveny. Zároveň zabírá pouze malou část okolo samotného měděného vodiče a tím šetří prostor.

Stejně jako každý rok, vývoj pokračuje vpřed. Snažíme se vždy optimalizovat návrh nového vozu dle zkušeností z předešlých sezón. Vývoj ale nezáleží pouze na zkušenostech, ale i obrovské podpoře od školy, sponzorů, rodin i partnerů. Tímto bychom rádi všem vyjádřili srdečný dík. Zanedlouho vyrážíme na první závody a doufáme v co největší úspěchy, které by pro nás byly to největší zadostiučinění za vynaložené úsilí během celého roku.

Nepřestávejte nás sledovat a podporovat i v průběhu závodů. Budeme se snažit dokumentovat a přidávat co nejaktuálnější příspěvky z dění soutěže.

CzechEnglish