3D nyomtatás a versenymotor fejlesztésben

 

  1. Bevezetés

Ezen tanulmány célja, hogy bemutassa a SZEngine motorfejlesztő csapat legújabb EVO 6 kódnevű versenymotorját és a 3D nyomtatás fontosságát a versenymotor fejlesztésben. A dokumentáció bemutatja a Formula Student versenysorozatát is az olvasónak. Mindezeken felül kitér az egyhengeres Formula Student versenymotor szívórendszerének felépítésére és röviden jellemezi azt. Az eddigi konstrukció megismerésén túl szó esik még a motorblokkban helyet kapó láncfeszítőről is. A tanulmány ismerteti az adott konstrukció előnyeit, gyárttatási lehetőségeit és felhasználásának módjait a járműiparban.

    • SZEngine motorfejlesztő csapat

Projektünket az Audi Hungaria Belső Égésű Motorok Tanszéke az Audi Hungaria motorfejlesztési részlegével közösen hívta életre 2008 év végén. Csapatunk a világon teljesen egyedülállóan egy versenymotort tervez, gyárt, illetve fejleszt a Formula Student versenysorozatban szereplő csapatok számára. A Formula Student egy különleges és egyedi verseny. A felsőoktatásban tanuló mérnökhallgatók feladata egy együléses versenyautó tervezése és megépítése, mellyel a versenypályán kell bizonyítaniuk rátermettségüket. A legtöbb csapat kereskedelmi forgalomból szerzi be motorjait, melyek csak komoly átalakítások után lesznek alkalmasak a versenyzésre. Ezzel szemben a mi csapatunk egy speciális, innovatív, kimondottan a versenysorozat szigorú szabályaihoz optimalizált motort fejleszt. Ezért a SZEngine egyedi módon kapcsolódik a sorozathoz.

A csapat életének első nagy mérföldköve a 2012-es novemberi motorbemutató volt, amire összeszereltük az első-generációs, saját fejlesztésű, egyedi, egyhengeres motorunkat, az EVO1-et. Később sikerült eggyel magasabb fokozatba lépnünk, így 2013 novemberében bemutattuk az EVO2-es motort a nagyközönség számára. A harmadik-generációs motorunkat kevesebb, mint egy év alatt sikerült megterveznünk. Az EVO3 motorbemutatója 2014 decemberében került megrendezésre. A korábbi évekhez képest ez másképp zajlott le, hiszen elértünk arra a szintre, hogy új fejlesztésű motorunk tesztautónkban gurulhatott a vendégek elé, ezzel hatalmas meglepetést okozva.

A motorbemutató után, a tavasz folyamán szüntelenül folytak a tesztelések görgős fékpadon és aszfalton is. Ezekből a tesztelésekből a tapasztalatokat felhasználva megkezdődött az EVO4 tervezése, majd pedig gyártása is. 2015 őszén összeszerelésre került, mely után megkezdődtek tesztjei saját fejlesztésű fékpadunkon. 2015 decemberében pedig a nagyközönségnek is bemutattuk, ahol ismét egy meglepetésünk volt a vendégek számára, hiszen már mérési eredményeink is voltak a legújabb motorunkról. Jelenleg a legfrissebb specifikáció az EVO6 kódnevet viseli, melynek műszaki paramétereit az 1. táblázat foglalja össze.

 

Furat x löket: 95 mm x 76 mm

Lökettérfogat: 536 ccm

SOHC szelepvezérlés

24,2 fokban döntött henger

Integrált olajrendszer

Kompresszió viszony: 15.5:1

Nyomaték / teljesítmény: 55 Nm / 60 LE


1
. táblázat: Az EVO6 műszaki paraméterei

Célunk a Formula Student versenysorozatra optimalizált motor fejlesztése, gyártása és biztosítása több csapat számára is. Ezzel egy időben folyamatos célunk olyan mérnök-, közgazdász-, illetve jogászhallgatók gyakorlatorientált képzésének biztosítása, akik az itt megszerzett tudással felvértezve hatalmas előnyre tehetnek szert a munka világában.

1. ábra: A SZEngine motorfejlesztő csapata

    • Formula Student

A Formula Student (továbbiakban FS) egy világszerte megrendezésre kerülő egyetemi és főiskolai versenyautó építő verseny. Idéntől a járműkategóriák száma is bővült, mivel a belsőégésű motorral és az elektromosan hajtott versenyautók mellett megjelentek a „driverless” (autonóm) járművek is a versenyszámokban. 2010-től Magyarországon is rendeznek versenyeket, melyek 2010 és 2017 között Gönyűn kerültek megrendezésre, 2018-tól az FS East-nek a zalaegerszegi ZalaZone tesztpálya ad otthont. A zalaegerszegi tesztpálya teljesen egyedülálló, mivel a vezethetőségre és menetstabilitásra koncentráló hagyományos tesztpálya funkciók a jövő járműveire fókuszáló kutatás-fejlesztési infrastruktúra elemeivel együtt valósulnak meg. A tesztpálya egyedisége, hogy nemcsak a hagyományos járműdinamikai tesztek elvégzésére nyújt lehetőséget, hanem az autonóm (önvezető) járművek, továbbá az elektromos járművek validációs vizsgálatait is lehetővé teszi. A zalaegerszegi tesztpálya azzal a céllal készült, hogy hozzájáruljon a hazai járműipari kutatás-fejlesztés kapacitásának növeléséhez. 2018-tól egyesült ez az egyedülálló tesztpálya egy különleges versenysorozattal.

A versenysorozat célja, hogy a hallgatók az együléses versenyautó tervezése és gyártása alatt olyan ismereteket szerezzenek, melyek kamatoztathatók lesznek pályakezdőként. A szakmai és gyakorlati tudás elmélyítése mellett lehetőség van a kommunikációs és a problémamegoldó képességük (angolul ezek az ún. „soft skills”-ek) fejlesztésére. Ennek elsődleges oka, hogy a versenyhétvégéken nemcsak dinamikus versenyszámok szerepelnek, hanem statikusak is. Ezen versenyszámok jelentős részét teszik ki a végső pontozásnak, ahol többek között a jármű költségtervét, műszaki terveit és azok megvalósítását kell prezentálni (angolul: Cost Event, Engineering Event, Business Plan). Egy FS hétvége versenyszámait és azok részarányát és súlyozását a pontozásban a 2. ábra mutatja be.

2. ábra: Formula Student versenyek pontozása

A statikus versenyszámok mellett fontos szerepet kapnak az autó teljesítményét, kezelhetőségét és megbízhatóságát próbára tevő dinamikus versenyszámok is. Ide tartozik a gyorsulás (Acceleration), a „skid pad”, az „autocross”, a tüzelőanyag takarékosság (Fuel Economy) és a legnagyobb jelentőséggel bíró „endurance”. A „skid pad” versenyszám során a versenyautó kanyarsebessége kerül megmérettetésre egy nyolcas alakú pályán, míg az „autocross” versenyszámban egy kört kell megtenni minél gyorsabban a leendő „endurance” pályán. Az „endurance” versenyszámban a járműnek 22 kilométert kell megtennie úgy, hogy féltávon pilótát kell cserélni, továbbá a versenyautónak újra kell indulnia önerejéből. A körülmények komplexitását az is fokozza, hogy az átlag versenymotoroktól eltérően, ebben a versenysorozatban a tüzelőanyag-fogyasztás is górcső alá kerül.

Ebben a versenysorozatban szerepel a SZEngine motorfejlesztő csapata is, az Arrabona Racing Team járműépítő csapat kooperációjában. Idén a két csapat Magyarországon, Ausztriában és Németországban fog versenyezni.

    • Formula Society of Automotive Engineers (FSAE) szabályzat

Mérnöki versenyről lévén szó, itt is megtalálható egy olyan komplex és átfogó versenyszabályzat, mely a versenyautó minden részegységét magába foglalja szabályosság és szabálytalanság tekintetében. Ennek ellenére fontos megjegyezni, hogy a szabályok elsődleges célja a hallgatók megóvása. A továbbiakban csak azok a fontos megkötések kerülnek megemlítésre, melyek kizárólag a versenymotorra és annak szívórendszerére vonatkoznak.

A szabályzat előírja, hogy minden belsőégésű motornak négyüteműnek kell lennie, továbbá annak maximális hengerűrtartalma 710 köbcentiméter lehet. Ez a számérték a SZEngine csapat versenymotorjában az idei löketnövelés után 536 köbcentiméterre ugrott. A teljesítmény korlátozására a versenyalkotók megkövetelik egy szűkítő beépítését a szívórendszerbe, melynek nagysága attól függ, hogy az adott csapat a versenymotor üzemeltetése során 100-as oktánszámú benzint vagy etanolt (E85) használ. Benzin használata esetén 20 milliméteres átmérőjű szűkítőt kell beépíteni, míg etanol esetén 19 milliméterest. A SZEngine motorfejlesztő csapat az EVO6 kódnevű versenymotorját etanollal (E85-tel) működteti. Ezen a szűkítőn kell áthaladnia a teljes beszívott légmennyiségnek, valamint a szívórendszer elemeinek sorrendjét is előírja a szabályzat. A szívórendszer helyes sorrendje szívómotor esetén: fojtószelep – szűkítő – belsőégésű motor. A szívórendszer sorrendbeli felépítése a 3. ábra látható.

3. ábra: Szívórendszer szerkezeti felépítése

Két fontos szabály megemlítésre került már a szívórendszerrel kapcsolatban (a szűkítő beépítésének szükségessége, illetve a szabályzat által előírt szerkezeti felépítés követése), de fontos kritérium, hogy a szabályzat alapján behatárolt felületekbe el kell férnie a szívórendszernek. Ez a határfelület nem más, mint a négy kerék külső pereme, illetve a bukócső felső része által behatárolt gúla. A szívórendszer összes részegységét a képzeletbeli gúla határain belül kell lehelyezni. Ezt a határfelületeket a 4. ábra szemlélteti.

4. ábra: A versenyszabályzat által meghatározott határfelületek

Ez a három legfontosabb szabály, mely nagyban befolyásolja a szívórendszer tervezését, de meg kell említeni, hogy ez a szabálylista kitér a szívórendszer legyártására és a motorra való helyezésének részleteire is.

  1. Az EVO6 szívórendszere

A szívórendszer feladata mind a gépjárművek, mind a versenymotorok esetében a levegő eljuttatása a hengerhez, valamint többhengeres motorok esetén annak elosztása a hengerek között. A szívórendszer feladata továbbá a beszívott levegő tisztítása, mennyiségének mérése és a külső keverékképzés esetén a levegő és a tüzelőanyag homogén keverékének előállítása. Az ideális szívórendszer növeli a hengerbe juttatott oxigén mennyiségét, a beáramlási sebesség vagy a levegő sűrűségének növelésével.

Egy FS motor esetében a szívórendszernek a szűkítő okozta levegőmennyiség-csökkenést a lehető legjobb hatásfokon kell pótolni. Ezt az áramlásban kialakuló turbulenciák, valamint további szűkítések minimalizálásával lehet elérni. Az áramlástanilag optimális szívórendszer ellenállása, vagyis annak áramlási vesztesége a lehető legalacsonyabb. Ez a veszteség nyomásesést idéz elő, amelynek minimalizálásával a motor töltetcsere-vesztesége kisebb lesz, valamint a töltési fok és a fajlagos tüzelőanyag fogyasztás is javulni fog. A pozitív áramlástani tulajdonságok mellett egy FS motoron elhelyezett szívórendszerrel szemben további elvárások is megfogalmazódnak. Meg kell felelnie a szabályzatban előírtaknak, valamint törekedni kell a lehető legkevesebb súlybevitelre. Az EVO6 szívórendszerét az 5. ábra mutatja be.

5. ábra: EVO6 szívórendszer

A szívórendszer egységeinek gyártása során a csapat a 3D nyomtatással kapcsolatban szponzori támogatást vett igénybe, valamint Arrabona Racing Team-es segítséggel elkészítette a karbonszövetből álló laminált változatot is. A 3D nyomtatott szívórendszer minden esetben a tesztautón történő tesztelések és a fékpadi mérések során volt használandó, mivel a versenyeken a versenyautóra a laminált szívórendszer került. A 3D nyomtatott szívórendszer alkalmazási területe miatt elengedhetetlen, hogy szerelhető legyen, erre a tervezés során kellett figyelmet fordítani. Ezzel szemben a laminált szívórendszer a tömegoptimalizáció miatt ragasztással készült el, hogy a csavarok tömege is megspórolható legyen, de emiatt a csapat elvesztette a szerelés lehetőségét.

Az EVO6 szívórendszerének részegységei

Az áramlást követve az első építőelem a légszűrő, amely, mint már említésre került, légtisztítás céljából van felszerelve. A következő elem a fojtószelep, amely szabályozza a levegő beáramlását a szívórendszerbe. A szabályzatban előírt szűkítőt egy konfúzor és egy diffúzor fogja közre, amelyek a leválások elkerülése érdekében kerültek beépítésre. Ezen három elem egyben alkotja a szűkítő részt. A szívórendszer fő építőeleme a levegőtartály (másnéven airbox vagy plenum), mely összeköti a szűkítő részt a szívócsővel. Ebben az optimálisabb áramlás elérése érdekében elhelyezkedik egy levegő-tölcsér, amely már a szívócsővel van összeköttetésben. A hengerfejet a szívórendszer többi részével a szívócső köti össze, ez a rendszer utolsó eleme, amin a levegő áthalad az égéstér felé haladva.

      • Légszűrő

A légszűrő feladata a motorba esetlegesen bekerülő szennyeződések szűrése. Az optimális légszűrő ezen feladat elvégzése mellett a lehető legkevesebb fojtást viszi a rendszerbe. A választás az EVO6-nál a Stage6 dupla rétegű sport légszűrőre esett, mivel a termékeik között található olyan, aminek az átmérője illeszkedik a levegőtölcsér peremére. A Stage6 légszűrő alapanyaga egy speciálisan kifejlesztett poliuretán hab, ami a két egymást átfedő különböző szivacsréteg miatt jó levegőáteresztő képességgel és magas szűrő hatásfokkal rendelkezik. Ennek a megoldásnak köszönhetően a szűrő teljesítménye és élettartalma is jobb, mint a hagyományos papíré. A Stage6 sport légszűrő a 6. ábraán látható.

6. ábra: Stage6 dupla rétegű sport légszűrő

 

      • Fojtószelep


7. ábra: Az EVO6 fojtószelepe

Otto motoroknál a fojtószelep az az alkatrész, amely a gázpedállal összeköttetésben van, és annak használatával van kontrollálva. A gázpedál lenyomásával a fojtószelep nyit, ami több levegő, és így több mennyiségű üzemanyag bejuttatását segíti elő a szívórendszerbe, majd az égéstérbe. A fojtószelep és a gázpedál közötti összeköttetés történhet bowden segítségével, vagy elektronikus úton. Az ideális elhelyezés a fojtószelep szempontjából a szívótorok előtt lenne, ugyanis ez esetben az áramlási veszteségek és a gázreakció is a legminimálisabb. Az FS szabályzat azonban előírja a szűkítő beépítését a fojtószelep és a motor közé, így ez a kialakítás nem használható. Az EVO6 fojtószelepét a mutatja be.

      • Szűkítő

A szívórendszer szabályzat szerinti legfontosabb eleme a bevezetésben említett szűkítő, melynek nagysága függ a használt tüzelőanyagtól. A szűkítő az airbox és a fojtószelep között helyezkedik el. Fontos megemlíteni a szűkítő előtti, illetve az utáni átmérő változást. Ahhoz, hogy az áramlásban ne keletkezzenek leválások, és a veszteségek a lehető legalacsonyabbak legyenek, a szűkítő átmérőjére való szűkülés foka nem haladhatja meg a 10-11 fokot. Az ez alatti értékek a konfúzoroknál a legideálisabbak. Hasonló mondható el a szűkítőt követő átmérő tágulásáról is, itt a 7-8 fokos tágulás kedvező. Ezek az értékek az optimális diffúzorok kapcsán kerülnek megemlítésre a szakirodalomban.

Az említett értékeknél az áramlásban nem keletkeznek leválások, így elméleti szinten veszteségek sem lépnek fel. Fontos azonban megemlíteni, hogy az értékek betartása mellett a kellően sima, egyenletes felület kialakítása elengedhetetlen a leválás elkerüléséhez, erre a gyártásnál kell kellően nagy figyelmet fordítani. A szűkítő teljes hosszának kialakítása, valamint az átmérői igazodtak a szívórendszer egyéb elemeihez. Ez által a konfúzor nagyobb átmérője ugyanakkora, mint a fojtószelep átmérője, valamint a hossz úgy lett kialakítva, hogy a szívórendszer könnyedén rögzíthető lehessen a menet közben magas torlónyomással rendelkező részhez, az autó legtetejéhez.

      • Airbox

Kezdetben a motorok a környezetből közvetlenül szívták el a levegőt minden egyes hengerhez. A mai modern motorok már egy tartályba szívják a levegőt, amely azt tovább tereli az egyes hengerek felé. Ez a tartály az airbox, amely a 60-as években jelent meg versenysportokban és a mai napig fontos építőeleme például a Formula 3 szívórendszereinek. Az airbox célja, hogy teret biztosítson a töltőlevegőnek, ahol az le tud lassulni. Ennek következtében a levegő sűrűsége megnő, amely a motor jobb volumetrikus hatásfokához vezet. Mindemellett segít elszigetelni a szívócsövekből érkező nyomáshullámokat, ami egy kívánatosabb, simább áramláshoz vezet a szűkítőnél. A tartály lelassítja a levegőt, aminek kinetikus energiája átalakul, és növeli a statikus nyomást az airboxban. Ha a levegőt összenyomhatatlannak tekintjük, és felhasználjuk a Bernoulli-egyenletet, ez könnyen kiszámítható, és az is láthatóvá válik, hogy a nyomás a levegő lelassulása miatt növekedik meg. A tartály elég széles térfogat méretek között effektív lehet, de általánosságban elmondható, hogy az airbox térfogatát alulról az elérhető töltési fok, felülről pedig a gázreakció határolja.

A térfogat helyes megválasztása nagy kihatással van a szívórendszer és a motor működésére. A szakirodalom alapján, növelve az airbox méretét az elérhető teljesítmény is emelkedni fog. Ezen megfontolásból idén mind az airbox geometriája, mind az airbox térfogata megváltozott. Térfogatnövelés történt tavalyhoz képest, mivel a levegőtároló plenum 5 literesre duzzadt. Emiatt viszont módosítani kellett a geometrián, hogy a szívórendszer beférjen a szabályzat által meghatározott határfelületekbe. A tesztek alapján világossá vált, hogy az airbox térfogatának növelésével növelni lehet a motor teljesítményét.

A minél nagyobb térfogat megválasztása ellen azonban több érv is felmerült. A jelentős méretnöveléssel az elhelyezhetőség is nagyban bonyolódna, azonban ennél sokkal fontosabb tényező a gázreakció kérdésköre. A méret növelése nagy hatással van az autó reakciójára gázadás szempontjából. Mivel a fojtószelep az airbox és a szűkítő előtt, a szívórendszer legelején helyezkedik el, így a szűkítő okozta kedvezőtlen hatás itt is érvényesül. Minél nagyobb a térfogat, annál lassabban fog változni a nyomás, és így az áramlás is, tekintve a fojtószelep állását. Egy versenyautóban, ahol a motor terhelése nagyon gyorsan változik, ez nem elfogadható. A Formula Student versenypályák általában technikásak, tele kanyarokkal, ami indokolja a sok és gyors terhelésváltozást. A motor gázreakciójának nagy növekedése sok nehézséget okozhat a pilótának, és értékes másodpercekbe kerülhet a versenyen. A felsorolt tényezők miatt az airbox térfogata meghatározásánál kompromisszumra volt szükség, hogy mérete elegendő legyen a henger ellátásához, de ne legyen túl nagy a fojtószelep reakció szempontjából. A 7. ábra szemlélteti az EVO6 airboxának geometriáját, mely tömítőhornyot, merevítő bordákat és a szerelhetőség szempontjából nélkülözhetetlen csavarfuratokat is tartalmaz.

7. ábra: 3D nyomtatott airbox

      • Szívócső

A levegőtartályt a motorral összekötő elem a szívócső (angolul: Intake Runner). Ezen szívócső szempontjából fontos volt meghatározni a paramétereket, hogy a tervezési folyamat folytatódni tudjon. Az átmérő, illetve a hossz behatárolása volt különösen fontos, hiszen ezek kihatnak a motor viselkedésére, valamint a szívórendszer térbeli elhelyezkedésre. Általánosságban elmondható, hogy hosszabb és szűkebb szívócsövek alsó fordulatszám tartományba való optimalizálásra kedvezőek. Ennek oka, hogy a hosszabb csőben kialakuló nyomáslengéseknek alacsonyabb a frekvenciája, így optimalizálva azokat a hosszabb időt igénybe vevő szelepnyitásra. A szűkebb keresztmetszetű cső a beáramló levegő sebességét növeli, elősegítve a henger töltését és a homogénebb töltet létrehozását. Ugyancsak elmondható, hogy a felsőbb fordulatszámokra a rövidebb és nagyobb átmérőjű szívócsövek optimálisak. A rövidebb csőhossz jóvoltából a nyomáshullámok frekvenciája magasabb, és a nagyobb átmérő kevesebb szűkítést fejt ki a magas fordulatszámokon kialakuló legintenzívebb levegőáramra.

8. ábra: 3D nyomtatott szívócső

A szívócső gyártatása során a legfontosabb paraméterek a hossz és a szívótölcsér alakja volt. A motor helyes hangolása során (magas, illetve alacsony fordulatszámon is megfelelő nyomatékkal rendelkezzen) arra a megállapításra jutott a csapat, hogy a 230 milliméter hosszú szívócső optimális az EVO6 számára. A szakirodalom szerint a szívótölcsér alakja azért fontos, mert akkor a legjobb a szívási hatásfok, ha a tölcsér geometriája három sugárból van leképezve. Ezen szempontokat figyelembe véve lettek gyártatásra küldve a szívócsövek, megfelelő számban. A 3D nyomtatott szívócső került a laminált és a 3D nyomtatott szívórendszerbe egyaránt.

      • Segédberendezések

A motor megfelelő működéséhez a motorvezérlőnek állandó kapcsolatban kell lennie pár, a szívórendszerben elhelyezett szenzorral. Ezek jeleit felhasználva a motorvezérlő képes korrigálni a motor vezérlésén, így optimalizálva azt a körülményekhez. Az egyik szenzor a fojtószelep pozíciójáról ad jelet. Ezt a jelet, valamint a fordulatszám értékét felhasználva tudja a vezérlő meghatározni a pillanatnyi pozíciót az előre felírt befecskendezési, előgyújtási, illetve korrekciós térképeken. Egy másik szívórendszerben lévő, az airboxban elhelyezett szenzor a levegő hőmérsékletét jelzi. A mért érték alapján a vezérlő az előgyújtás értékét változtatja. A versenyek főleg nyáron zajlanak, így könnyedén előfordulhat magas levegő hőmérséklet, amely az előgyújtás értékének csökkentése nélkül kopogásos égéshez vezethet. A szenzorokon kívül a szívórendszer, pontosabban az airbox, összeköttetésben van egy nyomásszabályzóval. A szívórendszerben előforduló nyomásváltozások így hatással vannak a nyomásszabályzó membránjára, aminek segítségével a szabályzó az üzemanyagnyomást változtatja. Ezt a megoldást használva az üzemanyagrendszer közvetlen összeköttetésbe kerül a szívórendszerrel, amely a membránnak köszönhetően szinte késedelemmentesnek mondható. Az üzemanyag befecskendezésére a csapat a KTM által gyártott 450SXF motor injektorát felhasználta fel, mellyel a nyitott szelepekre és szeleptányérokra történik a befecskendezés.

  1. Elkészült szívórendszer
  • 3D nyomtatott szívórendszer összeszerelése

Miután bemutatásra és gyártásra kerültek az EVO6 szívórendszerének részegységei, elkezdődött a 3D nyomtatott szívórendszer összeszerelése. Ezen folyamat során több, mint 50 darab M5x10-es belső kulcsnyílású csavar és tömítőpaszta biztosította, hogy a versenymotor ne szívjon „fals” levegőt, mely a levegő-tüzelőanyag arányra lenne kedvezőtlen hatással.

9. ábra: Kész 3D nyomtatott szívórendszer az EVO6 versenymotorhoz

A szerelés/szerelhetőség mellett a csapat nagy gondot fordított a 3D nyomtatott szívórendszer festésére és dizájnjára is. A szívórendszert a csapat a műhelyében fújta piros és ezüst színűre. Mindkét festéket több rétegben vitték fel, majd lakk réteg is került a 3D nyomtatott alkatrészekre. Mind a festék, mind a lakk üzemanyagálló tulajdonsággal rendelkezik, melynek szerepe a szívócsövön található injektor le- és felszerelése során kap jelentőséget.

Miután elkészült, a csapat saját fejlesztésű motortesztpadján, az EVO6-s motor applikációs tesztjein került használatra a darab. Ezen teszteket sikeresen elvégezte a csapat, majd behelyezték a motort a tesztautóba, ahol folytatódtak a tesztek.

 

    • Szívórendszer használata/ tesztelése

A 3D nyomtatott szívórendszer elkészültével a SZEngine csapat saját fejlesztésű motortesztpadján került használatra először az EVO6-s motor applikációs tesztjein. Miután ezen teszteket sikeresen elvégezete a csapat, a motor behelyezésre került a tesztautóba, ahol folytatódtak a motorral kapcsolatos tesztek. A tesztautóban végzett sikeres tesztek után elkezdődött a laminált szívórendszer gyártása, melyben a szívócső továbbra is 3D nyomtatással elkészített elem volt. Mialatt a karbon szívórendszer gyártása zajlott, folytatódtak a tesztek az Arrabona Racing Team versenyautójával, melyben még ekkor a 3D nyomtatott szívórendszer kapott helyet. A laminált szívórendszer elkészültével a nyomtatott szívórendszer helyett behelyezésére került a laminálással készült alkatrész. Az egyik teszt során elektromos hiba miatt a tüzelőanyag visszaégett, ami az airboxban robbanást okozott, így megsérült a nyomtatással előállított szívócső is. A sérült elemeket a 10. ábra Sérűlt szívócső és airboxmutatja be.

Ekkor ismét a nyomtatott szívórendszer került vissza a versenyautóba. A versenyek közeledtével kevés idő maradt arra, hogy újra karbon szívórendszer kerüljön az autóba. Ebben nyújtott hatalmas segítséget a SZEngine csapat számára támogatója, a Varinex Informatikai Zrt., amely rugalmasságával és gyors támogatásával nagyon rövid idő alatt legyártotta az új szívócsöveket. Így újra elkészülhetett a laminált szívórendszer a versenyek elött. A versenyek végeztével a 3D nyomtatott szívórendszer további használatban van motortesztpadon és a tesztautóban, ahol további motor járatásoknál van használatban.

10. ábra Sérűlt szívócső és airbox

  1. Láncfeszítő

Ahogy a bevezetőben is elhangzott, a tanulmány másik fő témája a szívórendszer mellett a láncfeszítő. A láncfeszítő szerepe a motorban a vezérműlánc feszítése, és annak megvezetése. Az idei erőforrás egyik legfontosabb változtatása a löketnövelés, amelynek célja az EVO6 teljesítményének növelése, ezáltal a löket 72 mm-ről 76 mm-re növekedett. A kereskedelemi forgalomban kapható vezérműláncok közül egyik sem volt megfelelő a löketnövelés lekövetéséhez, mivel csak hosszabb vagy rövidebb láncok találhatóak a gyártók kínálatában. Felmerült megoldásként hosszabb vezérműlánc vásárlása, melyből láncszem kivételével lehetett volna elérni a kívánt vezérműlánchosszt. Az ötlet viszont nem megvalósítható, mert a láncszemek csak párosával vehetők ki, így nem lehetséges a szükséges hossz előállítása.

A lehetőségek vizsgálata után a csapat a láncfeszítő áttervezése mellett döntött gyári vezérműlánc alkalmazásával. Az alkatrész bonyolult geometriája és egyedisége miatt a 3D nyomtatás lehetősége került szóba először, mivel ezen eljárás során lehet alacsony anyagbevitellel és nagy pontossággal gyártani. A gyártásban a SZEngine csapat támogatója, a Varinex Informatikai Zrt. volt segítségre. A láncfeszítőt, illetve az előzőekben taglalt szívórendszer részegységeit SLS technologiával, 100 mikronos rétegvastagsággal készítették. Az új alkatrészek alapanyaga PA2200 poliamid por, ami képes akár 160°C-ot is tartósan elviselni. A 3D nyomtatott láncfeszítőket a 11. ábra szemlélteti.


11. ábra A kész 3D nyomtatott láncfeszítő és a szívórendszer egyik eleme

 

Üzemi körülmények

A motor működése során különböző erőhatások, illetve hőhatások érik a töltetcsere vezérlését végző alkatrészeket. Nincs ez máshogy a láncfeszítővel sem. Az EVO6 versenymotor 8000 ford/min-nél adja le a maximális teljesítményét, ahol a láncfeszítő van kitéve súrlódásnak és termikus igénybevételnek leginkább. Hosszú terhelés folyamán az olaj hőmérséklete elérheti akár a 140°C-ot is, de ez az értek teljes terhelésnél feljebb is kúszhat.

    • A láncfeszítő használata

Az alkatrészekben egyelőre 20-22 üzemóra van, melyet javarészt fékpadon töltöttek. A fékpadi mérések mellett autós teszteken is jól szerepelt, ezért a Magyarországon megrendezett FS East versenyen is beépítésre került. Az alkatrészen ugyan vannak kopások, amelyek a 12. ábra is láthatók, de leginkább a láncfeszítő felső részén találhatóak elhasználódásra utaló jelek. A láncfeszítő ezen része találkozik a vezérműlánccal elsőként, itt éri a legnagyobb erő és itt lép fel a legnagyobb súrlódás. A kevésnek tűnő üzemóra egy Formula Student versenyre optimalizált motor esetében nem számít olyan kevésnek. Az üzemórák során kialakult enyhe kopások pedig nem számítanak rendellenesek, így még további teszteken, akár versenyeken is használhatóak.

12. ábra Használatból adódó esetleges kopások

  1. Összegzés

Ebben a műszaki dokumentációban bemutatásra került a SZEngine motorfejlesztő csapat története és jelene, majd a tanulmány bemutatta a Formula Student versenysorozatot. Továbbá részletezte a versenyszámokat, illetve a belsőégésű motorra és a szívórendszerre vonatkozó versenyszabályokat. Ezután az olvasó megismerkedhetett a SZEngine legújabb specifikációjú EVO6-os versenymotor szívórendszerével és annak egyes részegységeivel. A részegységeknél szó esett a gyártásról/gyártatásról, szerelésről/szerelhetőségről, illetve arról is, hogy hogyan nyerte el végső dizájnját a teljes egészében 3D nyomtatott szívórendszer, melyet a csapat a saját tesztautóján és a fékpadon alkalmaz. A 4. fejezetben szó esett a löketnövelés miatt megjelenő mérnöki problémáról is, ami a vezérműlánc hosszának változtatását és egy új láncfeszítő tervezését vonta maga után.

  1. Köszönetnyilvánítás

Munkánk végéhez érve és a versenyszezon közeledtével köszönetet mond a SZEngine motorfejlesztő csapat minden szponzorának, aki segítettek abban, hogy a csapat ebben az évben is megmérettesse versenymotorját a Formula Student versenyeken, melyek közül az idén Magyarországon, Ausztriában és Németországban vesz részt.

Mivel ennek a tanulmánynak a központi témája a 3D nyomtatással elkészített szívórendszer illetve a láncfeszítő volt, így szeretnénk külön köszönetet mondani a Varinex Informatikai Zrt. mérnökeinek és munkatársainak, akik közreműködésével gyártásra kerültek az EVO6 tesztelésére és fékpadi méréseire szánt szívórendszer egyedi alkatrészei, valamint a löketnövelésből adódóan szükségessé vált láncfeszítő. Köszönjük a gyors, precíz és magas színvonalú munkát, amiért a váratlan helyzetekben is számíthatunk rájuk, továbbá a kitartó támogatást is!