Hõissaa, analüüsid ja takistused ehk kuidas näeb välja mehaanikatiimi igapäev

Nemad on need, kes näevad palju vaeva, higi (ja mine sa tea, ehk veidi ka pisaraid), et meie päikeseauto näeks päriselt ka välja nagu auto. Mehaanikud projekteerivad ning toodavad autole kere ja raami mille külge paigaldatakse, vedrustus, piduri- ja roolisüsteem, interjöör jpm. Mehaanikatiim jaguneb 5 valdkonda: vedrustus, toruraam, akupakk, interjöör ja aerodünaamika ning tegutseb noore inseneri Aleks Tammela juhtimisel.

Mehaanika tiimijuht Aleks on Tallinna Tehnikaülikooli tootearenduse ja tootmistehnika eriala vilistlane.

Foto: Simm Paap

• Vedrustuse tiim tegeleb päikeseauto veermikuga ja hoolitseb selle eest, et sõit võimalikult sujuv oleks ning auto ratastel püsiks. Lisaks vastutavad nad ka piduri- ja roolisüsteemi eest. Tiimi koosseisu kuuluvad Ardo Tiits, Nikita Chornyi ja Kevin Telliskivi.

• Toruraami eest vastutab Ülo Pajutee, kelle kõige olulisemaks ülesandeks on tagada sõitjate turvalisus ja luua raam/platvorm, mis seob kõik teiste tiimide töö tervikuks. Toruraam on justkui auto selgroog ilma milleta pole võimalik seda ehitada.

• Akupaki eesmärk on tagada mootoritele vajalik vool sõites punktist A punkti B, tehes seda kõige efektiivsemal kujul. Selle saavutamiseks on kõige parem variant akupakk ise disainida ja ehitada. Tiimi vastutavaks inseneriks on Peter Kipp ning koos temaga toimetab Danylo Bezruchenko.

• Interjööri eest vastutab tiimiga värskelt liitunud Triinu Lusmägi, kelle tööks on võimaldada päikeseauto juhil juhtida masinat parimas keskkonnas, kus iga vajalik nupp oleks käeulatuses ning hoolitseda selle eest, et sõitjad kuumas kliimas üle ei kuumeneks.

• Aerodünaamika ülesanne on juhtida õhuvool ümber päikeseauto selliselt, et aerodünaamiline takistus oleks kõige väiksem võimaldades autol võimalikult lihtsasti ja ilma liigse energiata edasi liikuda. Selle kallal teevad tugevat tööd valdkonna eest vastutav Kristo Kannik ja Sten Marcus Malva.

Nupukad mehaanikud on ühekoos saavutanud juba mitu olulist töövõitu. Järgnevalt neist lähemalt.

Valminud on testraam

Üheks neist on uue päikeseauto testraami ehitus, millel on võistluseks valmistumisel vaat, et üks olulisimaid rolle. Testimiseks mõeldud autoraami prototüüp ehitati võimalikult soodsaid materjale ja tootmismeetodeid kasutades, et testida ja vajadusel muuta auto dünaamilisi omadusi, enne kui auto komponendid lõpptootmisesse saadetakse. Siinkohal oli testraami valmimisel suureks abiks ettevõte QTH ja mentorina Tanel Haak.

Testraamile paigaldatakse vedrustus, piduri- ja roolisüsteem, mootorid, akud, iste ja muu vajalik, et see saaks sõita. Akupaki tiimi vastutava inseneri Peter Kipi sõnul on testraami ehitus kulgenud võrdlemisi rahulikult. “Võrreldes eelmise raami ligi 2 kuud kestnud ehitusprotsessiga, oli 3-4 päeva testraami keevitamist lausa lust,” sõnas Kipp.

Kärutäiest torudest võlusid meie imelised mehaanikud kokku uhke testraami.

Fotod: Joosep Ress ja Mart Erik Kermes

Kui testraamil komponendid küljes, asutaksegi juba testimise juurde. Testimise käigus tehakse selgeks, mis on juba hästi ning mis vajab muutmist. Kui testid tehtud ja tulemused vastavad ootustele, saadetakse komponendid aga juba lõpptootmisesse. See tähendab, et päikeseautole toodetakse lõplikud komponendid kasutades paremaid, ent kulukamaid materjale ning tootmismeetodeid. Esimesel hooajal jäi just testimisperioodist väheks ja auto kitsaskohad näitasid end valusalt Maroko võistlusel, kui auto parandamiseks tuli peatuda tundideks, samal ajal kui teised tiimid said hakkama vaid minutitega.

Testraam oma täies hiilguses komponentide ootel.

Foto: Peter Kipp

Sihiks madal õhutakistus

Võimalikult efektiivse päikeseauto tagavad erinevad tegurid. Näiteks on päikeseauto puhul on ääretult oluline, et selle kerekuju oleks võimalikult madala õhutakistusega. Seetõttu on juba tehtud, ja tehakse veelgi, hulgaliselt aerodünaamilisi analüüse, mille abil leitakse kõige madalama õhutakistusega kerekuju. Päikeseauto disainimise puhul on oluline, et auto ümber olev õhuvool saaks võimalikult sujuvalt autost mööduda. Turbulentne õhk, tagasivool, õhu eraldumine kere pinnalt on ainult mõned faktorid, mis suurendavad auto üldist õhutakistust ja mille tõttu peame kasutama rohkem energiat, et autot edasi liigutada. Aerodünaamika tiimijuhi Kristo Kanniku sõnul on algne kere kuju juba olemas ning tegeletakse selle optimeerimisega. “Paraku on iga suurem muutus keres nõudnud päris palju ressurssi, et aeroanalüüs uuesti tööle saada ja see hetkel pidurdab meie arendust,” kirjeldas Kannik. Hea uudis on, et praeguseks on võrreldes esimese päikeseautoga uue masina õhutakistust vähendatud juba lausa 26%. “Peatselt oleme jõudmas fine-tuning faasi, kus hakatakse tegema väiksemaid muudatusi, et lõplik keredisain paika saada,” sõnas Kannik.

Õhutakistust mõõdetakse takistuse koefitsendiga, mille osaks on tuuletakistus, õhutihedus, auto ristlõike pindala ja tuule kiirus. Meie eesmärk on võimalikult madalaks saada nende komponentide number, mida meil on võimalik mõjutada. Mida madalam õhutakistus, seda kiiremini meie päikeseratsu kappab!

Kusjuures eelmise auto takistuse koefitsent oli 0,2, praeguse aga vaid ligi 0,15. Kuid see ei ole veel kõik, sest lõplik uue auto keredisain ei ole veel lukus, mis tähendab, et õhutakistus võib väheneda veelgi. Selleks, et takistuse koefitsenti arvutada, kasutatakse simulatsioonitarkvara Ansys Fluent, milles viiakse läbi CFD (computational fluid dynamics) ehk voolavusanalüüse. See tähendab, et programmi lisatakse auto kerekuju, tekitatakse virtuaalne tuuletunnel, millest õhk läbi liigub ning programm asub arvutama, kuidas õhk kere ümber liigub tehes selgeks, kus tekivad kõrg- ja madalrõhualad, keerised õhuvoolus, kus eraldub õhk kere pinnalt ja palju muud.

Kuid miks see oluline on? Ikka seetõttu, et disainida auto, mille ümber liiguks rõhk võimalikult neutraalselt ning tekitada minimaalselt õhuvoolu rikkumist või teisisõnu turbulentsi. Selleks, et mitte avaldada saladuseloori uue auto disainilt, näitlikustame voolavusanalüüsi tulemust ühe esimese hooaja esialgse kerekuju abil. Nagu jooniselt näha, on auto esiosa punane, mis tähendab suurt õhurõhku. See aga ilmestab omakorda seda, et õhk põrkab auto ninaga kokku ja ei lähe piisavalt sujuvalt mööda kerepinda ninast mööda.

Alumisel joonisel on näha ka auto tagaosa, mis on sinine ning see tähendab, et õhurõhk selles piirkonnas on madalam, kui mujal. Joonisel on ka näha, et et auto all ja peal on suur rõhkude erinevus, mis samuti suurendab auto õhutakistust. Ideaalses maailmas on taolistel analüüsipiltidel selliseid värvierinevusi võimalikult vähe ja autot ümbritseb võimalikult sujuv õhuvool.

Ei liiga kiire ega ka liiga aeglane õhuvool pole hea. Seega on võimalusi õhuvoolu võimalikuks efektiivseks juhtimiseks erinevaid. Kõige lihtsam viis selleks on muuta auto nina ja tagumiku geomeetriat. Selle abil saame kontrollida, kui palju õhku läheb auto alt, kui palju pealt ning kui sujuvalt saavad õhuvoolud auto taga uuesti kokku. Auto aerodünaamilise efektiivsuse tagabki eelkõige see, kui õhuvool on auto ümber eraldatud ja auto tagant taas võimalikult kiiresti kokku toodud. Kanniku sõnul proovitakse hetkel erinevaid lahendusi, kuidas kõige tõhusamalt õhuvoolu juhtida.

Autoraami vastupidavus ja jäikus

Lisaks aerodünaamilistele analüüsidele viiakse läbi ka toruraami tugevusanalüüse, mille abil selgitatakse välja, kuidas autoraam peab vastu erinevates olukordades – nii kokkupõrgetes, üle katuse rulludes kui ka löökaukudes. Pingsalt jälgitakse nii raami vastupidavust koormusele kui ka selle torsionaaljäikust. Viimane tähendab, et kui auto mass kandub kurvides erinevatele ratastele, ei tohi autoraam diagonaalsuunas läbi painduda. Tugevusanalüüse aitab läbi viia nutikas Ansys Mechanical tarkvara, mis kasutab FEMi (Finite element method) ehk lõplike elementide meetodit arvutades auto erinevate piirkondade jõukoormuse. Näiteks testitakse läbi olukord, kui auto keerab kurvis vasakule, mille tagajärjel läheb auto mass paremale ja sama poole esiratta jõud liigub ülesse, ootamatult on aga tagaratta all löökauk, mis tähendab et selle ratta jõud liigub alla, mis omakorda painutab raami.

Õhutakistusest me juba rääkisime, ent see pole ainus takistus, millega mehaanikud võitlevad. Mängu tuleb ka teada-tuntud veeretakistus! Seda mõjutavad nii auto vedrustus kui ka rehvid. Rehvidega on lihtne – mida suurem rõhk, seda paremini auto liigub. Keerukamaks läheb asi aga vedrustusgeomeetria puhul. Tänaseks oleme jõudnud vedrustusgeomeetriani, mis põhineb topelt-õõtshoovadega vedrustussüsteemil, mis hoiab rattaid nii sirgelt kui võimalik, et külgkalle oleks võimalikult väike. Vedrustusgeomeetria abil saame ka paika panna selle, et auto oleks juhitav igal kiirusel, rool ei oleks liiga kerge ega raske ning rattad ei pöörleks ega väänleks nii nagu nad ei peaks.

Akupaki tiimijuht Peter lõpetas tänavu gümnaasiumi.

Foto: Simm Paap

Seda, kuidas asju teha efektiivsemalt, me juba teame, ning uuendusena ei ole uuel autol vedrustus mitte alumiiniumist freesitud vaid valmistatud toruõõtsadest. Põhjused muutuseks on puhtpraktiliselt, nimelt toruõõtsadest vedrustust on lihtne ja kiire toota ning ka muudatuste tegemine käib oluliselt kiiremini. Näiteks võistlusolukorras on meil tänu sellele võimalik vedrustus kergelt auto küljest lahti võtta ja täies mahus välja vahetada. See tähendab, et ei kulu enam nii palju aega auto parandamisele ning rohkem jääb aega keskenduda finišisse jõudmisele.

Töö käib erinevates valdkondades hooga ning muuhulgas on tegeletud ka isearendatud akupaki ehitamisega ja selle tugevusanalüüsidega. “50 detailiga koostu ehk detailide kogumit analüüsida, et teada saada, kas see reeglitele vastab, sai peale kümneid katsetusi ja kümneid (kui mitte sadu) tunde ka valmis,” sõnas Peter Kipp.

Selleks, et testida, kas erinevates analüüsides arvutatu ja teoreetiliselt teadaolev ka päriselus paika peab, ongi abiks testraam, millel peatselt usinalt erinevaid komponente testima asume. Sellest, kuidas edeneb testimine ja millega insenerid veel tegelevad, jutustame juba järgmistes blogipostitustes!

Loo kirjutas Solaride’i turundustiimi liige Laura Korjus.