A BME Formula Racing Team tagjai nemrég mutatták be idei autóikat a Hungaroringen, melyek elkészültét az eCon Engineering is támogatta az Ansys szoftver biztosításával, illetve ehhez kapcsolódó oktatásokkal és tanácsadással. Eme alkalom örömére kicsit mélyebben is betekintünk munkájukba.

Csapatukat 2008-ban alapították, azóta vesznek részt az egyetemisták számára rendezett Formula Student versenysorozatban, ahol a résztvevő csapatok saját maguk tervezik, gyárt(at)ják, szerzik be és építik össze az autóik alkatrészeit, illetve ehhez maguk teremtik meg a szükséges szervezeti, pénzügyi hátteret is. Eleinte benzines autókat építettek, 2013 óta azonban csak elektromos versenyautókkal teszik próbára magukat, továbbá 2017 óta a frissen indított önvezető kategóriában is helyt állnak. Idén is két autót építettek, egyet az elektromos kategóriában, egyet pedig az önvezető kategóriában. Az elektromos autójuk négy agymotorral szerelt, négykerék hajtású, teljesen szénszálas monocoque-al rendelkező jármű, melynek főbb technikai adatai lentebb láthatóak. A többi versenysorozathoz hasonlóan itt is folyamatos a technikai fejlődés, melynek köszönhetően mára általánossá vált az autókon az aerodinamikai csomagok jelenléte, mellyel két éve már a csapat autói is fel vannak szerelve.

Aerodinamika a Formula Studentben

Egy autót aerodinamikai szempontból három kiemelkedően fontos paraméterrel lehet leírni: az általa adott sebességeken termelt leszorítóerő és légellenállás, illetve ezek eloszlása a tömegközépponthoz képest, ami meghatározza, hogy alul- vagy túlkormányzott-e az autó. Míg utóbbi az autó viselkedését befolyásolja, és az egyes pilótáknak is mások a preferenciái, az abszolút leszorítóerőnek és a légellenállásnak objektív hatása van az autóra.  Nagyobb légellenállás esetén ugyanakkora teljesítménnyel kisebb sebességet tud elérni az autó, illetve adott sebességnél megnő a fogyasztása.  Nagyobb leszorítóerő esetén azonban a nagyobb átvihető oldalirányú erők miatt megnő a kanyarsebesség, és így az autó jobb időt képes teljesíteni egy adott pályán.

 

A Formula Studentben három különböző pálya típuson, négy versenyszámban mérik össze a csapatok az autóikat:

• Acceleration: egy 75 méteres egyenesen kell minél hamarabb végig érnie az autónak. Itt a leszorítóerő hatása elhanyagolható, viszont az autó légellenállása jelentősen befolyásolja az elért sebességet, és így az időeredményt.

• Skid Pad: egy 8-as alakú pályán kell megtennie mindkét irányban két kört az autónak. Itt a leszorítóerő hangsúlyos a nagyobb elérhető kanyarsebesség miatt, míg a légellenállás hatása elhanyagolható.

• Autocross: egy körülbelül 1km hosszú pálya, melyen egy kört kell teljesítenie a pilótáknak. A pályák rövid, maximum 80 m hosszú egyenesekkel tűzdelt, kanyaros pályák, ezért is alacsony relatíve az autók végsebessége, viszont Forma-1-es autókkal vetekedő a gyorsulásuk. A sok kanyar miatt a leszorítóerő hatása sokkal fontosabb, mint a légellenállásé, a mindössze egy körös táv miatt utóbbinak a fogyasztásra gyakorolt negatív hatása se jelent problémát.

• Endurance: Az Autocross pályán tesznek meg az autók 22 kilométernek megfelelő mennyiségű kört. Így a fentiekhez hasonlóan itt is fontos a leszorítóerő, azonban itt már a légellenállás a fogyasztás növelésével jelentős hatással van az eredményre.

Látható, hogy összességében a leszorítóerő fontosabb, mint a légellenállás, azonban utóbbit se szabad figyelmen kívül hagyni, és gondolni kell rá egyes versenyszámok esetén. A fent leírt hatásokat szemlélteti az alábbi két diagram is, amiken a leszorítóerő és a légellenállás hatása látszik a különböző versenyszámokban elérhető pontokra, a kiinduló értékek (0%) a csapat előző autójának tulajdonságait jelzik. Mivel az Endurance éri magasan a legtöbb pontot a versenyszámok közül, így az összesített Total is annak a közelében van mindkét esetben. Az eredményeket a csapat tagjai paraméterérzékenységi vizsgálattal nyerték köridő szimulációkból.

 

Aerodinamikai csomag tervezése

A csapattagok ezen adatok ismeretében álltak neki az aerodinamikai csomag megtervezésének. Fentiek segítségével minden egyes kifejlesztett aerodinamikai elemről meg tudták mondani, hogy megéri-e felrakni az autóra, ha összevetették az általa generált leszorítóerővel nyert pontokat a légellenállása és tömege miatt bukott pontokkal. Kezdésnek különböző geometriájú első és hátsó szárnyakat próbáltak ki 2D szimulációval Ansys Fluentben. A 2D szimulációk nagy előnye, hogy nagyon gyorsan lehet sokat futtatni belőlük, így kiszűrhető, hogy mely szárnyprofil konfigurációkban van elég potenciál ahhoz, hogy 3D-ben is vizsgálatnak legyenek alávetve. Nagy hátrányuk azonban, hogy a csupán 3Dben jelentkező jelenségek (pl. örvények) itt nem láthatóak. A 2D szimulációk során különböző típusú szárnyprofilokat vizsgáltak meg különböző kombinációkban és állásszögekben, illetve változtatták a profilok számát és húrhosszait is.

A 2D szimuláció során ígéretesnek bizonyuló koncepciókat tovább vitték 3D-be, ahol is először meg lettek vizsgálva a komponensek magukban, hogy itt is megfelelően viselkednek-e, majd ezután kerültek fel az autóra, és szimulálták le az egész csomagot egyben.

Az egész csomag szimulációja után a kapott leszorítóerő és légellenállás értékeket, nyomáskontúrokat, sebességprofilokat megvizsgálva megkeresték a fejlődési lehetőségeket, és ezekre fókuszálva fejlesztettek ki újabb és újabb verziókat az egyes elemekből.

Majd a módosított elemeket felhelyezve az autóra újból megvizsgálták a csomagot, és amennyiben a fejlesztések jónak bizonyultak, az új verzió vált a referencia csomaggá. A csomagokat több sebességen (10-30 m/s, amik a Formula Student pályákon jellemző sebességek) is megvizsgálták, ezáltal biztosítva, hogy a pályákon jelen lévő különböző karakterisztikájú részeken megfelelően tudnak teljesíteni.

Figyelembe véve az első fejezetben említett paraméterérzékenységi vizsgálat eredményeit, elsődlegesen a leszorítóerő növelésére fókuszáltak az aerodinamikai csomagjuk tervezésekor, majd a csomag megtervezésének végéhez közeledve hozzáadtak légellenállás csökkentő megoldásokat is, figyelve arra, hogy a csökkentett légellenállás okozta pont nyereség minden elem esetében több legyen, mint a felhelyezése által esetlegesen alacsonyabbá váló leszorítóerő miatt elvesztett pontok. Ilyen légellenállás csökkentő megoldás például az első szárnyra szerelt kis 3D nyomtatott elemek, melyek az első kerekek elől hivatottak elterelni a levegőt, ezáltal csökkentve a kerekek által generált káros örvényeket és így a légellenállást. Továbbá mind az első, mind a hátsó szárny profiljait állíthatóra tervezték, így az Acceleration versenyszám előtt vízszintesbe állítva őket jelentős légellenállás csökkenést tudnak elérni. Ugyan ez csökkenti a termelt leszorítóerőt is jelentős mértékben, de mint azt a fenti grafikonok mutatják, ez az Acceleration versenyszám esetén nem probléma.

A tervezési fázis végére szignifikáns fejlődést sikerült elérniük, mivel jelentősen megnövelték az autójuk által generált leszorítóerőt, míg az autó légellenállása alig nőtt. Ennek köszönhetően a megszerezhető 675 pontból elméletileg 27-el többet tudnak megszerezni, ami a sűrű mezőnyben jó pár helyezés különbséget jelenthet a versenyeken.

 

Ezúton is gratulálunk a BME Formula Racing Teamnek az idei versenyautóik megtervezéséhez és elkészítéséhez; köszönjük szépen, hogy idén is részt vehettünk a Hungaroringen tartott Roll-Out eseményükön. További sok sikert kívánunk és reméljük a jövőben is tudjuk folytatni ezt a sikeres együttműködést!

(A szakmai összefoglalót és a képeket köszönjük szépen a BME Formula Racing Teamnek.)