Studenti ze CTU CarTech jsou tak v Česku první, kdo vyrobil kompozitní monokok pro použití na závodním voze. Ano, i takhle může vypadat školní projekt...

 

CTU CarTech se úspěšně účastní mezinárodní soutěže Formula Student již pátou sezonu. Na konci minulého roku se ve světovém žebříčku více než pěti set univerzitních týmů vyhoupli čeští studenti do první dvacítky. Přesto ale neusnuli na vavřínech a míří na příčky nejvyšší.

 

 

Pro snížení hmotnosti vozu a zlepšení jeho vlastností se rozhodli použít pro tým zcela nové technologie. Již díly na předchozích dvou vozech byly z velké části z karbonu, který je lehký a přitom velmi pevný. Jmenujme třeba sací potrubí motoru, které je vystaveno velkým tlakům, nebo podlahu rámu, která zároveň slouží jako výztuha proti kroucení. Poslední vůz FS.04 si ostatně svou přezdívku Black Mamba vysloužil právě podle karoserie z uhlíkových vláken, která jsou vystavena na obdiv pod čirým lakem.

 

Vůz pro letošní sezonu s typovým označením FS.05 jde však v použití karbonu ještě dál. Namísto svařovaných ocelových trubek tvoří hlavní část nosné struktury monokok z uhlíkových vláken. Tím se snížila hmotnost „rámu“ o celých 8 kg, tedy téměř o čtvrtinu původní hmotnosti!

 

 

 

 

Samotný monokok tvoří dvě části, které jsou k sobě pevně slepeny pomocí dvousložkového lepidla Henkel pro letecké účely. Každá ze dvou částí je tvořena několika stěnami a různě zakřivenými plochami proměnlivé tloušťky.

 

Základem vysoké pevnosti a přitom nízké hmotnosti je takzvaná sendvičová konstrukce. Sendvičová proto, že mezi dvěma pevnými potahy je umístěno lehké jádro sloužící k přenosu smykového zatížení. Tloušťka jádra a jeho materiál se volí podle požadovaných vlastností konkrétní části monokoku. V místě boční nárazové zóny je použita hliníková voština, v méně namáhaných oblastech jako jádro slouží velmi lehká pěna. Potahy tvoří několik vrstev uhlíkové tkaniny; požadovaná pevnost určuje, kolik vrstev a v jakém směru má být použito. V místě uchycení prvků přední nápravy, deformačního prvku, úchytů bezpečnostních pásů, nebo zadní motorové struktury je lehké jádro nahrazeno pevnou vložkou z vysokomodulárního polyamidu plněného skelnými vlákny. Jen díky těmto vložkám lze šroubové spoje ke stěnám monokoku patřičně utáhnout.

 

 

 

 

Skladba zní jednoduše, cesta k ní ale vedla dlouhá. Vývoj monokoku pro sezonu 2013 začal již v polovině roku 2012. Kompozitní materiály stále ještě nejsou běžnou součástí strojních konstrukcí. Důvodem je náročný návrh kompozitních výrobků i následná relativně složitá výroba.

 

Vyšší náročnost vývoje oproti dílům kovovým je dána především anizotropií uhlíkových vláken. V základním stavu mají kovy ve všech směrech stejné vlastnosti, kdežto uhlíkové vlákno je pevné pouze v podélném směru. To umožňuje vytvořit pomocí vrstvení uhlíkové tkaniny v různém směru díly přesně na míru zatížení, kterému budou vystaveny. Výpočetní metody pro návrh kompozitních dílů ovšem ještě nejsou tak rozšířené, jako u kovů. Výrobci kompozitních dílů, kteří tuto problematiku ovládají, si pak své know-how bedlivě střeží. Proto bylo během vývoje monokoku v laboratořích odboru pružnosti a pevnosti a ústavu strojírenské technologie provedeno několik desítek zátěžových zkoušek různých vzorků. Na základě výsledků těchto zkoušek se následně upravily vstupní parametry pevnostních výpočtů.

 

 

 

Samotná výroba monokoku si vyžádala stovky hodin práce. Pro dosažení vysoké pevnosti bylo zapotřebí monokok doslova upéct v autoklávu (přetlakové peci). Dostatečně velkým autoklávem disponuje LA Composite, výrobce kompozitních dílů do dopravních letadel, helikoptér i vozů pražského metra.

 

Aby byla zajištěna shodná tepelná roztažnost a stabilita při vysoké teplotě a vysokém tlaku, musely být i samotné formy vyrobeny z uhlíkových vláken. Na samotném začátku výroby uhlíkových forem přitom stály opět formy, tentokrát ze speciálního epoxidu. Přesné obrábění těchto epoxidových forem zajistil MBtech Bohemia, který má s výrobou takových forem bohaté zkušenosti. A formami to teprve začalo.

 

 

Následoval několika měsíční maraton pokládání jednotlivých vrstev uhlíkových vláken, vložek a jader, to vše prokládáno vždy mnoha hodinovým tvrzením v autoklávu. Přesné pokládání jednotlivých vrstev je klíčové pro mechanické vlastnosti výsledného výrobku, proto se při aplikaci vrstev využívá laserového navádění.

 

 

 

Monokok musí splňovat přísná pevnostní kritéria daná pravidly soutěže Formula Student/SAE. Zároveň slouží jako základní nosná část vozu, na kterou je připojeno zavěšení přední nápravy, řízení, přední přítlačné křídlo a zadní část vozu s pohonným ústrojím a zadní nápravou. Splnění bezpečnostních kritérií se prokazuje prostřednictvím výsledků zátěžových testů předepsaných vzorků dlouho před samotným závodním nasazením. Není divu, stejně jako ve Formuli 1 je monokok bezpečnostní schránkou pro jezdce. Kromě bezpečnosti jezdce je žádoucí také vysoká torzní tuhost mezi nápravami, především kvůli správnému vedení kol ve všech možných manévrech. V zatáčkách totiž na vůz působí boční přetížení přesahující 2G. Tuhost vypočtenou počítačovými simulacemi následně konstruktéři vozu ověří praktickým experimentem.

 

 

 

Výroba samotného monokoku byla dokončena v druhé polovině května. Od té doby tým intenzivně pracoval na dokončení zbylých částí vozu. Nyní má již vůz FS.05 za sebou prvních pár kilometrů testování. První zkoušku má tedy monokok úspěšně za sebou. Po celý červenec bude vůz podrobován intenzivnímu testování a ladění, protože již 30. července začíná týmu CTU CarTech první soutěž.

 

Soutěžní premiéru si vůz FS.05 odbude na slavném okruhu v německém Hockenheimu. Hned druhá štace nového vozu bude na domácí půdě, 8. – 11. srpna se na Czechring do Hradce Králové sjede celkem 36 týmů Formula Student z různých kontinentů. Tým CTU CarTech s vozem FS.05 patří jednoznačně mezi favority soutěže Formula Student Czech, stejně jako následné Formula Student Hungary. Sezonu tým uzavře na soutěži v Itálii, kde před dvěma lety tým obsadil celkové 6. místo.

 

 

 

Zdroj: ČVUT