Navrhovaniu častí automobilu s využitím princípov generatívneho konštruovania

Výsledkom je zníženie výrobných nákladov, možnosť rýchlejšej inovácie a zlepšenie kvality. Princíp modulárneho konštruovania rozdeľuje systém na menšie funkčné časti (moduly). Odobratím, pridaním alebo nahradením niektorého modulu sa vozidlo ako celok konštrukčne nemení, vytvárajú sa však jeho ďalšie funkčné varianty. Charakteristickým znakom tohto prístupu je, že moduly sa vyznačujú vysokým stupňom zhody [1]. Disponibilné komponenty a moduly, ktoré už boli vyvinuté pre konkrétny typ stroja, alebo vozidla môžu byť použité pre celý rad modelov alebo ich konfigurácii. Konštruktéri teda môžu využívať už existujúce moduly, resp. ich prispôsobovať pre ďalšie nové riešenia. Napríklad z katalógu dostupných návrhov modulov automobilov je možné vybrať vhodný modul, ktorý spĺňa geometrické a funkčné požiadavky a použiť ho ako platformu rovnakého typu pre limuzínu aj SUV [2].

V konštrukčnej praxi sa dnes v pomerne veľkom rozsahu uplatňujú nové CAx systémy. Ide prevažne o CAD (Computer-Aided Design) systémy, ktoré slúžia na tvorbu geometrického modelu. Jeden z popredných CAD systémov využívajúcich sa v automobilovom priemysle a pri konštruovaní MPS je CATIA V5(V6), ktorá zabezpečuje plynulý prechod od fázy konceptu, až po fázu výroby. CAE (Computer-Aided Engineering) sú nástroje určené na analýzu konštrukčných návrhov, napr. ANSYS, ADAMS/CAR. Tieto moderné nástroje používané v etape návrhu konštrukcií sú založené na výsledkoch výskumu a skúseností v oblasti metodiky konštruovania. Cieľom takéhoto konštrukčného postupu je navrhnúť optimálny výrobok v čo najkratšom čase a s minimálnymi nákladmi [3].

Pri tvorbe konceptu geometrie je potrebné však navrhnutú konštrukciu funkčne overovať. Preto je nutné vytvoriť geometrický model, ktorý možno následne funkčne overiť a vytvoriť spätnú väzbu optimalizačných výsledkov priamo na geometriu. Výhodná je tvorba rôznych variant konštrukcie, aby bolo možné uspokojiť potreby trhu. Pri návrhu treba brať do úvahy nové poznatky v oblasti vývoja materiálov, alebo výrobných postupov. Tendencie pri návrhu konštrukcií automobilov a MPS sú napríklad znižovanie ich hmotnosti, znižovanie spotreby paliva, emisií CO₂ a využitie alternatívnych pohonov, ktoré definujú nové požiadavky na zostavu vozidla. Vozidlá by mali byť napríklad ľahšie, ale súčasne musí byť zaistená bezpečnosť používateľov. Táto skutočnosť vedie k multidisciplinárnemu vývojovému procesu, v ktorom nie len tieto požiadavky, ale aj hlavné systémy môžu byť testované voči sebe, aby sa dosiahla optimálna konfigurácia vozidla [2].

Tvorba nových konceptov vozidiel si vyžaduje postupne väčšiu flexibilitu. Počiatočná fáza koncepcie vývoja vozidla začína stanovením plánu návrhu a určením požadovaných komponentov, 3D-modely pomáhajú ľahšie a rýchlejšie vyhodnotiť novšie varianty konceptov. Na dosiahnutie tejto flexibility sú využívané špeciálne nástroje a metódy, ako je generatívne konštruovanie, ktoré uľahčuje tvorbu parametrizácie 3D geometrie, ktorá môže byť následne ľahko modifikovaná a funkčne vyhodnotená. Parametrizácia 3D geometrie umožňuje aj neplánované zmeny pôvodného konceptu [2].

Generatívne konštruovanie

Generatívne konštruovanie možno charakterizovať ako schopnosť generovať tvarové prvky a tvarové komplexy prostredníctvom vstupných a výstupných údajov s vyhodnocovaním ich korektnosti v uzavretom cykle so spätnou väzbou. Tento proces umožňuje vznik, resp. realizáciu dynamického riešenia, ktoré je schopné absorbovať a odovzdávať informácie späť do tohto procesu tak, aby sa dala uskutočňovať jeho ďalšia optimalizácia. V rámci tohto procesu sa pritom uplatňujú deterministické i heuristické zložky konštrukčného procesu. Riešenie problematiky so známymi vstupnými a výstupnými parametrami prostredníctvom generatívneho konštruovania je ďalej demonštrované na príklade tvorby časti podvozka automobilu.

Metodológia generatívneho návrhu nápravy vozidla

Ako príklad implementácie metodológie generatívneho konštruovania je uvedený konkrétny návrh zadnej nápravy vozidla. Cieľom je navrhnúť takú nápravu/zavesenie kolesa, aby konštrukcia spĺňala základné požiadavky na podvozok vozidla a splnila zároveň kritériá a požiadavky na zavesenie kolies. Uvedená zadná náprava je navrhovaná na elektromobil, ktorého hlavné parametre sú vopred zadefinované. Návrh prvkov zavesenia kolesa pre elektromobil a pre automobil so spaľovacím motorom sa líšia v konštrukčnom riešení podľa koncepcie elektromobilu – jedna pohonná jednotka, resp. dve pohonné jednotky (wheel hub). V prípade použitia dvoch pohonných jednotiek je rozdiel v tom, že priamo do zavesenia kolesa elektromobilu môže byť umiestnená pohonná jednotka kolesa (BLDC motor). Vo všeobecnosti je systém zavesenia kolesa tvorený mechanizmami, zloženými zo závesných ramien, resp. vzpier, spojených s kolesovou časťou nápravy a s nadstavbou vozidla spojovacími členmi umožňujúcimi ich vzájomný pohyb [4]. Návrh možno rozčleniť do nasledovných krokov:

• návrh typu zavesenia kolesa,
• tvorba modelu,
• hodnotenie vytvoreného modelu,
• optimalizácia prvkov konštrukčného riešenia.

Návrh typu zavesenia kolesa

V prvej fáze návrhu je potrebné vybrať konštrukčný druh zavesenia kolies – použitie nezávislého zavesenia kolies. Výhodou tohto zavesenia sú menšia hmotnosť neodpružených prvkov, pohyb jedného kolesa nemá vplyv na pohyb druhého kolesa, veľké množstvo voľných kinematických konfigurácii, jednoduchá izolácia od vibrácií a akustických efektov spôsobených povrchom vozovky [5]. V elektromobiloch, ako napríklad BMWi3 (Obr. 1), alebo Tesla (Obr. 2) sa využíva trojprvkové zavesenie kolesa (double-wishbone suspension), ktoré možno zvoliť aj v tejto koncepcii.

Trojprvkové zavesenie pozostáva z troch ramien. Jedno z ramien je nad stredom kolesa, druhé pod stredom kolesa a tretie priečne rameno je potrebné na riadenie zbiehavosti kolies. Sily spôsobené v pružine a v tlmiči sa prenášajú priamo do priečnych ramien závesného systému [5]. Trojbodové rameno možno rozdeliť na dve dvojbodové ramená. Potreba miesta na pohonné jednotky (v elektromobile) a veľkosť úložného priestoru ovplyvňuje veľkosť prvkov zavesenia.

Tvorba model

Základom na vymodelovanie zavesenia zadanými tvarovými a prierezovými špecifikáciami závesných ramien a ďalších jeho prvkov je skeleton vytvorený v programe CATIA. Hlavnou výhodou jeho použitia je, že informácie o konštrukcii vytvorenej touto metódou sú uložené na jednom mieste, v „parte” (skeleton), a je možné ich opakovane používať. V „parte” sú definované základné špecifikácie konštrukcie (geometrické prvky), ako sú krivky, osi, body, roviny, plochy a sú uložené v súbore „CATPart”. Návrh iných častí zostavy (zadanej navrhovanej konštrukcie) je vytvorený v externých „CATPart-och”, ktoré sú nadväzujúce na skeleton (sú limitované jeho rozmermi). Konštruktéri jednotlivých externých „partov” môžu pracovať samostatne, lebo všetky potrebné informácie sú čiastočne uložené v spoločnom skeletone. Skeleton zavesenia kolesa obsahuje body (v súradnicovom systéme) a roviny základných prvkov zavesenia, umiestnenia ramien, tlmiča a pružiny, ktoré sú vytvorené parametricky. To znamená, že možno výsledne meniť hodnoty zvolených parametrov, ako napríklad základné rozmery, posunutia bodov a pod.

Hodnotenie vytvoreného modelu

Vytvorený model je potrebné hodnotiť z hľadiska stanovených kritérií ako sú kinematika nápravy a dynamické účinky zavesenia kolesa. Kinematickú analýzu zavesenia kolesa možno vytvoriť v programe ADAMS. V prvom kroku je nutné exportovať skeleton z programu CATIA a importovať ho do programu ADAMS, pričom sa hodnoty (parametre) určené v skeletone nemenia. V ADAMS-e sa vytvoria prvky, ramená závesnej konštrukcie, ale bez určenia ich tvaru. V ADAMS-e sú už vytvorené a preddefinované kinematiky rôznych druhov zavesení kolies, vrátane pružín a tlmičov, ktoré sú funkčne preverené a slúžia ako základ pre vytvorenie skeletonu a modelu v programe CATIA. V ADAMS-e možno vytvárať rozmerové zmeny týchto preddefinovaných zavesení, z ktorých následne program vytvorí výslednú správu s jednotlivými kinematickými hodnotami zavesenia.

Postup analýzy v programe ADAMS je nasledovný:

Import časti zavesenia z programu CATIA. Voľba vhodných spojov medzi jednotlivými časťami konštrukcie. Voľba materiálu konštrukcie. Vo<ľba nosnosti zavesenia a odmeranie počiatočných zmien v konštrukcii pri pôsobení daných síl. Meranie a analýza nami určených údajov.

Analýzou zavesenia kolesa v programe ADAMS možno získať hodnotenie jazdných vlastností vozidla a aj zaťažujúce stavy jednotlivých prvkov:

• smerovú stabilitu,
• silu pôsobiacu na pružinu/tlmič,
• brzdné sily,
• budenie nápravy pri nerovnosti vozovky,
• vyhodnotenie jazdného manévru (losí test),
• dynamické zaťaženie.

Pevnostná kontrola na dynamické zaťaženia sa tvorí v programe ANSYS, ktorý je založený na riešení problematiky využitím metódy konečných prvkov (MKP). MKP je numerická metóda slúžiaca na simuláciu priebehu napätí, deformácií, vlastných frekvencií a pod., určená na vytváranie fyzikálneho modelu. Parametre sú určované v jednotlivých uzlových bodoch [8]. Metóda sa využíva na kontrolu už navrhnutých konštrukcií, na stanovenie kritického (najviac namáhaného) miesta v konštrukcii.

Postup analýzy v programe ANSYS pozostáva z nasledovných krokov:

Import modelu zavesenia (vybratých prvkov – tehlica, dolné a horné rameno) z programu CATIA. Meshing – nahradenie nekonečného objemu modelu konečným počtom prvkov, resp. uzlových bodov. Určenie väzieb. Určenie pôsobiaceho zaťaženia – jeho hodnota je výsledok kinematickej analýzy (ADAMS). Analýza.

Ako výsledok analýzy v programe ANSYS možno získať fyzikálny model zavesenia kolesa, na ktorom sú vyznačené hľadané kritické miesta s maximálnymi napätiami. Namáhané plochy sú znázornené farebným spektrom (modrá – nízke napätie, červená – kritické napätie). Ak prvky vyhovujú daným požiadavkám dynamickej analýzy, možno exportovať MKP model do programu ADAMS a je možné spätne vykonať kinematickú kontrolu na vybrané prvky zavesenia kolesa.

Optimalizácia prvkov konštrukčného riešenia

Parametre sa v obidvoch prípadoch analýzy môžu spätne meniť (optimalizovať), aby sa návrh čo najviac priblížil k ideálnemu reálnemu funkčnému stavu použitia navrhovanej konštrukcie. Ak v kinematickej analýze vzniknú kolízne prípady, v skeletone sa zmenia základné parametre a znova sa vykonáva kinematická analýza. Ak vyhovuje, „uploaduje” sa vytvorený model so špecifikáciami v CATII, exportuje sa do ANSYS-u a vykoná sa dynamická analýza. Ak sú výsledky pevnostnej analýzy vyhovujúce, vygenerovaný MKP model sa exportuje do ADAMS-u, kde sa spätne vykoná kinematická analýza. Platí to aj naopak, ak bude dynamická analýza nevyhovujúca, je možné vrátiť sa do modelu v CATII, zmeniť zvolené špecifikácie a opäť exportovať model do ANSYS-u a opakovať dynamickú analýzu.

Generatívnym konštruovaním vzniká funkčný softvérový model (budúca konštrukcia), ktorý možno analyzovať na základe vstupných aj výstupných údajov získaných počas jednotlivých krokov konštruovania a analýz. Metódy sú na seba naviazané a predstavujú generatívny návrh častí podvozka vozidla, alebo iných konštrukčných prvkov. Schéma metodológie generatívneho konštruovania zadnej nápravy vozidla je na Obr. 3.

Tento generatívny návrh zavesenia kolesa na zadnej náprave elektromobilu je vytváraný na pracovisku Ústavu dopravnej techniky a konštruovania Strojníckej fakulty Slovenskej technickej univerzity v Bratislave v rámci spolupráce s firmou Dytron.

Tento príspevok bol vypracovaný s podporou projektu VEGA 1/0445/15 „Výskum možností uplatnenia metód generatívneho konštruovania pri vývoji modulov mobilných pracovných strojov” a s podporou EŠF 26240220076 „Priemyselný výskum metód a postupov generatívneho konštruovania a znalostného inžinierstva pre vývoj automobilov”.

Literatúra

[1] GAJDÁČ, I., MIKITA, M., KUČERA, Ľ. et. al. Modulárna konštrukcia elektromobilov. In Ai Magazine. 2/2012, Žilina: LEADER press, s. r. o., máj 2012, s. 86-87. ISSN 1337 – 7612.

[2] SCHMID, T., DHANDHANIA, D. et. al. High Speed Concept Development: full parametric surface modelling and automatic creation of simulation models using the Fast Concept Modeller (FCM). In 6th Weimar Optimalization and Stochastic Days 2009. [ed.] www.dynardo.de/en/library. 2009.

[3] Forrai, M., Gulan, L. et al. Vývoj konštrukcií pracovných strojov s využitím princípov znalostného inžinierstva. In Stavební technika. 2/2015, ročník 14. Praha: Vega společnost s ručením omezením, 2015, s. 68-70. ISSN 1214-6188.

[4] MOČKOŘ, R. et. al. Podvozkové orgány. Bratislava: STU v Bratislave, 2006, s. 63. ISBN 80-227-2363-0.

[5]HEIβING, B., ERSOY, M. et. al. Chassis handbook. Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, 2011.

[6] www.greencarreports.com

[7] http://theautoprophet.blogspot.sk

[8]http://cs.wikipedia.org/wiki/Metoda_konečných_prvků