Mida tähendab, et iga gramm loeb autoehituses? Üks lisakilogramm sõiduki massi vähendab sõiduulatust ligikaudu kilomeetri võrra. Põhjus peitub veeretakistuses – mida raskem on auto, seda suurem on pidev energiakulu rataste veeremisel. Solaride’i insenerid selgitavad, kuidas sõiduki kaalu vähendada.
Austraalia kuuma päikese all liikuv päikeseauto ei võistle üksnes teiste tiimidega, vaid võitleb igal kilomeetril ka pidevate energiakadude vastu.
Solaride’i inseneeria valdkonna juhi Mihkel Ruuli selgituse kohaselt vähendab üks lisakilogramm auto massi sõiduulatust ligikaudu ühe kilomeetri võrra.
Põhjus peitub veeretakistuses – mida raskem on auto, seda suurem on pidev energiakulu rataste veeremisel. Kuna päikeseauto energiatootmisvõime on piiratud, on iga vatt ja iga gramm arvel.
Suurimad energiakaod tekivad kahest allikast: tuuletakistusest ja veeretakistusest. Tuuletakistus sõltub auto kujust, pinnaviimistlusest ning sõidukiirusest ehk – mida kiiremini auto liigub, seda järsemalt õhutakistus kasvab.
Veeretakistus seevastu on pidev energiakadu, mida mõjutab peamiselt sõiduki mass. Mihkel Ruuli sõnul näitavad tiimi andmed, et veeretakistus moodustab ligikaudu poole kogu energiakaost.
„Kui me suudame sellest keskmisest kaost mingi osa ära vähendada, siis tähendab see pidevalt väiksemat takistust – vähem takistust, suurem keskmine kiirus, rohkem kilomeetreid päevas,“ kirjeldab ta. Seetõttu võib isegi väike massi vähendamine anda märgatava eelise kogu võistluse vältel.
Nii ongi Solaride’i inseneride proovikiviks selliste detailide loomine, mis oleksid korraga võimalikult kerged, kuid samal ajal piisavalt tugevad ja töökindlad. Iga disaini juures lähtutakse kolmest põhiprintsiibist – turvalisusest, töökindlusest ja tõhususest.
Nagu Ruul selgitab, peab iga detail olema piisavalt turvaline, et mitte ohustada sõitjaid, piisavalt töökindel, et see peaks vastu terve võistluse vältel, ning võimalikult tõhus nii massi kui energiakulu mõttes.
Mehaanika tiimi juht Kristjan Hordo kirjeldab inseneride tööd kahe äärmuse kaudu. „Me võime võtta kaks ava, ühendada need 5 mm vardaga ja teha sinna ümber 1 mm seinapaksuse. See oleks väga kerge lahendus, aga suure koormuse all ei peaks vastu. Teine äärmus oleks freesida sama detail massiivsest terasplokist, jättes seinad kümnete millimeetrite paksuseks. Nüüd peab element vastu, aga kaalub ebamõistlikult palju.“ Just nende kahe vahel tulebki leida optimaalne lahendus.
Disain algab küsimusest “Milleks see vidin?”
Tõhus disainiprotsess algabki alati küsimusest “Millist ülesannet see detail peab täitma?”. Sellest sõltub kogu edasine geomeetria.
Mõnikord on vaja lihtsalt ühendada kaks kinnituspunkti, teinekord tuleb lisada liugpinnad, hambad või muud funktsionaalsed elemendid.
Hordo sõnul sünnibki esmane insenertehniline lahendus tavaliselt „haritud kõhutunde“ ehk kogemuse pealt. Samal ajal mõeldakse juba valmistatavusele ja materjalivalikule.
Materjal määrab suure osa detaili omadustest. Õige valikuga saab mõjutada jäikust, tugevust, kõvadust, tihedust ja temperatuuritaluvust.
Näiteks võib alumiinium olla kerge ja hästi töödeldav, kuid süsinikkomposiit pakkuda sama massi juures märksa suuremat jäikust. Materjali valik sõltub sellest, millistes tingimustes detail peab töötama ja millised jõud sellele mõjuvad.
Kui esialgne geomeetria ja materjal on paigas, tehakse FEM-analüüs ehk tugevusarvutused. Simulatsioonis rakendatakse detailile reaalsed koormused ning vaadatakse, kuidas see käitub.
„Pärast analüüsi vaatad pingeid, deformatsioone ja varutegurit ning nende põhjal hindad, kas geomeetria peab vastu,“ selgitab Hordo.
Varutegur näitab, kui palju tugevam on detail võrreldes tegeliku koormusega. Suur varutegur tähendab suuremat ohutust, kuid sageli ka suuremat massi.
Kui analüüs kinnitab, et detail peab koormustele vastu, saab varutegurit vähendada ning seeläbi kaalu säästa. Optimeerimine tähendab pidevat tasakaalu otsimist. Kui kuskil tekivad liiga suured pinged, lisatakse materjali juurde või muudetakse geomeetriat.
Samal ajal eemaldatakse materjali kohtadest, kus seda tegelikult vaja ei ole. „Lõpuks jõuad geomeetriani, kus materjal on täpselt seal, kus teda enim vaja on – kuskil pole liiga palju ega liiga vähe,“ selgitab Hordo. Sageli tehakse detailidesse erinevaid väljalõikeid või õõnsusi, mis vähendavad massi, kuid säilitavad tugevuse ning seejärel jooksutatakse analüüs uuesti.
Kui arvutused on lõpetatud ja analüüse jooksutatud ad nauseam, valmistatakse prototüüp ning viiakse läbi reaalsed testid. Alles praktiline katsetamine näitab, kas simulatsioonid vastavad tegelikkusele.
Detailidele rakendatakse koormusi, hinnatakse nende sobivust ning kontrollitakse võimalikke probleeme. Vajadusel tehakse uus versioon, muudetakse mõõte või kasutatakse teistsugust materjali. Inseneeria on pidev arendamise ja täiustamise protsess.
Iga detail on tervik
Päikeseauto puhul on iga detail osa suuremast tervikust. Nagu Mihkel Ruul rõhutab, võib iga insener oma disainilt säästa vaid paarsada grammi, kuid kogu auto peale kokku tähendab see juba kümneid kilogramme väiksemat massi.
See omakorda tähendab väiksemat veeretakistust, suuremat tõhusust ja rohkem läbitud kilomeetreid. Just seetõttu loeb päikeseauto ehituses tõepoolest iga gramm.
Solaride pälvis päikeseautode maailmameistrivõistlustel kolmanda koha
Fotod: päikeseauto pressimaterjalid