Η κατασκευή ενός αυτοκινήτου F1

    Βήμα-βήμα όλη η διαδικασία της δημιουργίας

    Γραφείο σχεδίασης

    Οι επιδόσεις ενός αυτοκινήτου F1 την ημέρα του αγώνα έχουν ήδη προσδιοριστεί στο στάδιο του σχεδιασμού. Η διαδικασία σχεδιασμού είναι μια πορεία εξέλιξης κατά την οποία ενισχύονται τα δυνατά σημεία του αυτοκινήτου και εξαλείφονται οι αδυναμίες του. Όλα με στόχο την ανάπτυξη του καλύτερου αυτοκινήτου F1 στον κόσμο. Το σχεδιαστικό τμήμα χρησιμοποιεί τελευταίας τεχνολογίας λογισμικό CATIA (computer-aided design-CAD). Ένα μονοθέσιο της F1 έχει περίπου 3.500 ξεχωριστά εξαρτήματα, η πλειοψηφία των οποίων θα πρέπει να σχεδιαστούν ξεχωριστά, αλλά ταυτόχρονα να ταιριάζουν μεταξύ τους με τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια.

    rbr-factory

    Πολύ πριν σχεδιαστεί οτιδήποτε, μια ομάδα F1 καθορίζει τη συνολική φιλοσοφία για το αυτοκίνητό της. Η ομάδα πρέπει να σταθμίσει τις δυνητικά αντικρουόμενες απαιτήσεις χώρου του κινητήρα και του κιβωτίου ταχυτήτων, ενώ η ανάρτηση και η αεροδυναμική πρέπει να συμβιβαστούν σε ένα πακέτο που είναι γρήγορo, αλλά εφικτό παραγωγικά και κατασκευαστικά. Τα αυτοκίνητα της F1 πρέπει να συμμορφώνονται με το κατώτατο όριο βάρους των 691 κιλών (κανονισμός 2014). Παρολα αυτά τα αυτοκίνητα κατασκευάζονται πολύ ελαφρύτερα αυτου του ορίου ώστε οι μηχανικοί να μπορούν να βελτιστοποιήσουν την απόδοσή τους ανάλογα με την πίστα που αγωνίζονται τοποθετώντας έρμα (βάρη) σε διάφορα μέρη του σασί.

    Επιτάχυνση της εργασίας με Selective Laser Sintering (Συσσωμάτωσης με Λέιζερ)

    Οι σχεδιαστές πραγματοποιούν πολλές αλλαγές κατά τη διάρκεια της σεζόν, είτε για να δοκιμάσουν νέα αεροδυναμικά κομμάτια είτε αλλαγές στον κινητήρα ή το κιβώτιο ταχυτήτων. Ένας πιο ισχυρός κινητήρας, για παράδειγμα, θα παράγει περισσότερη θερμότητα και έτσι οι σχεδιαστές θα πρέπει να βελτιώσουν την απαγωγή της θερμότητας – ίσως με την εγκατάσταση μεγαλύτερων ψυγείων, ή με την εξεύρεση πιο έξυπνων τρόπων για τη διαφυγή του θερμού αέρα πίσω από τα ψυγεία, χωρίς να αλλάζει η αεροδυναμική. Οι σχεδιαστές πρέπει επίσης να παράγουν αρκετές παραλλαγές ορισμένων κομματιών προκειμένου να ανταποκρίνονται σε συγκεκριμένες πίστες,  όπως για παράδειγμα οι μεγαλύτεροι αγωγοι φρένων για πίστες που απαιτούν δυνατό φρενάρισμα.

    RBR-factory-2

    Η σύγχρονη τεχνολογία επιτρέπει στους σχεδιαστές να παράγουν πρωτότυπα κομμάτια, εύκολα, γρήγορα και με ακρίβεια. Το τμήμα σύνθετων υλικών έχει lasersintern μηχανή η οποία μπορεί να παράγει υψηλής ποιότητας εξαρτήματα σε λίγες μόνο ώρες. Το lasersintern είναι ένα λέιζερ υψηλής ακρίβειας που συσσωματώνει τοπικά και επιλεκτικά πολυαμιδική σκόνη (υλικό από το οποίο παράγεται το Kevlar) για να δημιουργήσει το κάθε εξάρτημα. Η πολυαμιδική αυτή σκόνη δεν έχει τη δομική αντοχή των ινών άνθρακα, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην αεροσήραγγα ή ως υλικό καλούπιων για μέρη ή εξαρτήματα από ανθρακονήματα.

    Κατασκευή αμαξωμάτων

    Για να επιτύχουν υψηλότερα πρότυπα ποιότητας και συνέπειας, οι ομάδες  χρησιμοποιούν τον πιο σύγχρονο και εξελιγμένο εξοπλισμό μετρήσεων. Διαθέτουν μηχανές CNC (Computerized Numerical Control) που μπορούν να κατεργαστουν ακόμα και το μικρότερο εξάρτημα με ακρίβεια τεσσάρων μικρόμετρων (4 μm – 4 χιλιοστά του χιλιοστού – περίπου 25 φορές μικρότερο από το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας) από ένα ευρύ φάσμα υλικών που περιλαμβάνουν το αλουμίνιο και το μαγνήσιο. Αυτό είναι το είδος της ακρίβειας που απαιτεί η F1. Το εργαστήριο CNC κάνει την πλειοψηφία των εξαρτημάτων τόσο για τον κινητήρα όσο και για την ανάρτηση. Αλλά και πολλά κομμάτια που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή καλουπιών που αργότερα θα χρησιμοποιηθούν στο τμήμα σύνθετων υλικών για την παραγωγή εξαρτήματων από ανθρακονήματα. Στο τμήμα σύνθετων υλικών, το αυτοκίνητο αρχίζει να παίρνει τη μορφή που γνωρίζουμε.

    McLaren-factory

    Οι περισσότερες κατασκευές από σύνθετα υλικά αποτελούνται από έναν πυρήνα από κυψελωτή στρώση αλουμινίου συνδεδεμένο με πολλές στρώσεις ανθρακονημάτων.

    Βήμα 1: Κοπή. Ένα ηλεκτρονικά ελεγχόμενο μηχάνημα κοπής υπερήχων κόβει με ακρίβεια τα προεμποτισμένα με ρητίνη φύλλα ανθρακονημάτων. Μέχρι να κοπεί, τα άνθρακονήματα θα πρέπει να αποθηκεύονται στους – 18 ° C, γιατί αλλιώς σε θερμοκρασία δωματίου αρχίζουν να σκληραίνουν. Μια μηχανή κοπής υπερήχων δεν είναι μια πολυτέλεια για μια ομάδα της F1 καθώς η ταχύτητα και η ακρίβεια είναι ζωτικής σημασίας γι’αυτη. Ορισμένες πιο λεπτομερείς εργασίες κοπής εκτελούνται με το χέρι.

    Βήμα 2: Διαμόρφωση. Τα κομμένα φύλλα τοποθετούνται σε ειδικό καθαρό κλιματιζόμενο δωμάτιο στα καλούπια σε προκαθορισμένες διευθύνσεις και στην συνέχεια τοποθετούνται σε ένα σάκο με σκοπό την επίτευξη κενού.

    f1-Autoclave

    Βήμα 3: Φούρνος. Μόλις τα μέρη τοποθετηθούν σε μια αεροστεγή σακούλα και επιτευχθεί κενό, τότε μεταφέρονται στο φούρνο, ο οποίος σφραγίζεται και εφαρμόζεται πίεση (2-6 bar) και θερμοκρασία. Η πίεση, σε συνδυασμό με την σακούλα κενού, εξασφαλίζει ότι τα συστατικά θα εφαρμόσουν ακριβώς στα καλούπια, ενώ η θερμοκρασία (συνήθως μεταξύ 130 και 140 ° C) σκληραίνει τη ρητίνη. Επειδή η διαδικασία αυτή ελέγχεται από υπολογιστή, η ομάδα σχεδιασμού μπορεί να αλλάξει τα προγράμματα ανάλογα με τις ανάγκες.

    Βήμα 4: Συναρμολόγηση. Όταν τελειώσει η διαδικασία της σκλήρυνσης, τα μέρη αποστέλλονται στο τμήμα συναρμολόγησης για το φινίρισμα. Ακόμη και τα μέρη που κατασκευάζονται σε αυτές τις ακριβείς προδιαγραφές θα πρέπει να επεξεργαστούν λεπτομερώς από ανθρώπινα χέρια ώστε να ταιριάξουν σωστά. Εάν απαιτείται κάποια τρύπα ή άλλη μηχανική κατεργασία, τα μέρη αποστέλλονται πίσω στο τμήμα CNC.

    RedBullFactory

    Κινητήρας

    Οι εγκαταστάσεις των κατασκευαστών κινητήρων είναι τελευταίας τεχνολογίας και διαθέτουν τα καλύτερα εργαλεία και ανθρώπους που χρειάζονται για να σχεδιάσουν και να κατασκευάσουν έναν κινητήρα. Η επίτευξη της ισορροπίας μεταξύ της απόδοσης, της αξιοπιστίας και του βάρους απαιτεί μια μεθοδική προσέγγιση. Τόσο οι κινητήρες όσο και τα σασί σχεδιάζονται στον υπολογιστή μέσω του λογισμικού CATIA CAD. Χρειάζονται περίπου 1500 λεπτομερή σχέδια για να κατασκευαστεί ένας ολόκληρος κινητήρα.

    mercedes-v8-13-4

    Οι εξατμίσεις είναι χειροποίητες και ένας τεχνικός χρειάζεται 50 ώρες για να ολοκληρώσει ένα σύστημα εξάτμισης. Κάθε εξάτμιση έχει ζωή μόνο ενός αγώνα. Οι μηχανικοί που εργάζονται στο εργαστήριο του κινητήρα κατασκευάζουν και ανακατασκευάζουν περίπου 300 κινητήρες ανά έτος. Η διαδικασία της ανακατασκευής συνολικά είναι μια δουλειά των 200 ωρών και δεν είναι απλώς επανασυναρμολόγηση καθώς περίπου το 40 τοις εκατό των 4.500 εξαρτημάτων που απαρτίζουν τον κινητήρα θα πρέπει να αντικατασταθούν με καινούρια. Το τμήμα κινητήρα έχει οκτώ δυναμόμετρα που εκτελούν ελέγχους πριν από κάθε αγώνα. Αυτές οι προσομοιώσεις χρησιμοποιούν πραγματικά δεδομένα αγώνα, τα οποία επιτρέπουν στους μηχανικούς να αναπαραστούν ρεαλιστικές συνθήκες για έναν κινητήρα χωρίς να φύγει ποτέ από το εργοστάσιο.

    mercedes-v8-13-3

    Aεροδυναμική

    Η αεροδυναμική σύραγγα σε μια ομάδα της F1 δουλεύει 30 ώρες την εβδομάδα (κανονισμός 2014)

    Πείραμα στην αεροδυναμική σήραγγα εν εξελίξει.

    Η αεροδυναμική σήραγγα της Toyota είναι σε θέση να προσομοιώνει ταχύτητες άνω των 320 χιλιομέτρων/ώρα σε μισής κλίμακας μοντέλο του αυτοκινήτου. Η χαλύβδινη ζώνη «κυλιόμενου δρόμου» μιμείται με ακρίβεια την κίνηση του πραγματικού δρόμου κάτω από το αυτοκίνητο – ακόμα και αν το αυτοκίνητο είναι σταματημένο στην αεροδυναμική σήραγγα.

    Πρώτα διεξάγονται προσομοιώσεις CFD

    Καθώς μικρές αλλαγές μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά τη ροή του αέρα σε ολόκληρη την επιφάνεια του αυτοκινήτου, οι υπεύθυνοι αεροδυναμικής χρησιμοποιούν πολύ εξελιγμένα λογισμικά υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD) προκειμένου να δοκιμάσουν την αποτελεσματικότητα όλων των πιθανών βελτιώσεων πριν τον πραγματικό σχεδιασμό και την κατασκευή ενός νέου κομματιού. Αυτό όχι μόνο εξοικονομεί χρήματα στην ομάδα, αλλά ελαχιστοποιεί και τον κίνδυνο να περνούν ημέρες ή εβδομάδες δοκιμάζοντας αλλαγές που δεν θα οδηγήσουν σε βελτίωση. Μερικές πτυχές της συμπεριφοράς ενός αυτοκινήτου είναι δύσκολο να προβλεφθούν με τη χρήση λογισμικού. Για παράδειγμα η ευαισθησία κατά τη μετατόπιση του βάρους επηρεάζει δραματικά την αεροδυναμική κατά την επιτάχυνση και το φρενάρισμα του αυτοκινήτου. «Το CFD είναι χρήσιμο», λέει ένα μέλος του προσωπικού, «αλλά τελικά θα πρέπει να δοκιμάσεις πραγματικά τις ιδέες σου, είτε στην αεροδυναμική σήραγγα είτε στην πίστα. Εάν η προετοιμασία ήταν καλή, οι βελτιώσεις θα φανούν».

    Ευάγγελος Γαβαλάς
    M.Sc. Mechanical Engineer RWTH Aachen University, Germany

    Σχόλια

    Σχόλια