Tým studentů z pražského ČVUT se již pátou sezonu úspěšně účastní mezinárodní soutěže Formula Student. V letošním roce přišel se zásadní inovací: rám z vysokopevnostních ocelových trubek nahradil monokokem z uhlíkových vláken. Jedná se o stejnou technologii, jaká se používá při výrobě nosných struktur vozů F1. Studenti ČVUT jsou tak v České republice prvními, kteří vyrobili kompozitní monokok pro použití na závodním voze. Tým ČVUT se na konci minulého roku vyhoupl ve světovém žebříčku více než 500 univerzitních týmů do první dvacítky. Přesto ale neusnul na vavřínech a usiluje o příčky nejvyšší. Pro snížení hmotnosti vozu a zlepšení jeho vlastností se studenti rozhodli použít nové technologie. Již díly na předchozích dvou vozech byly z velké části z karbonu, který je lehký a přitom velmi pevný. Jednalo se například o sací potrubí motoru, které je vystaveno velkým tlakům, nebo podlahu rámu, jež zároveň slouží jako výztuha proti kroucení. Poslední vůz FS.04 si ostatně svou přezdívku Black Mamba vysloužil právě podle karoserie z uhlíkových vláken, která jsou vystavena na odiv pod čirým lakem. Vůz pro letošní sezonu s typovým označením FS.05 jde však v použití karbonu ještě dále. Namísto svařovaných ocelových trubek tvoří hlavní část nosné struktury monokok z uhlíkových vláken. Tím se snížila hmotnost rámu o celých 8 kg, tedy téměř o čtvrtinu původní hmotnosti.
SENDVIČ S RŮZNORODOU NÁPLNÍ Samotný monokok tvoří dvě části, které jsou k sobě pevně slepeny pomocí dvousložkového lepidla Henkel pro letecké účely. Každá ze dvou částí je tvořena několika stěnami a různě zakřivenými plochami proměnlivé tloušťky. Základem vysoké pevnosti a přitom nízké hmotnosti je takzvaná sendvičová konstrukce. Sendvičová proto, že mezi dvěma pevnými potahy je umístěno lehké jádro sloužící k přenosu smykového zatížení. Tloušťka jádra a jeho materiál se volí podle požadovaných vlastností konkrétní části monokoku. V místě boční nárazové zóny je použita hliníková voština, v méně namáhaných oblastech slouží jako jádro velmi lehká pěna. Potahy tvoří několik vrstev uhlíkové tkaniny; požadovaná pevnost určuje, kolik vrstev a v jakém směru má být použito. V místě uchycení prvků přední nápravy, deformačního prvku, úchytů bezpečnostních pásů nebo zadní motorové struktury je lehké jádro nahrazeno pevnou vložkou z vysokomodulárního polyamidu plněného skelnými vlákny. Jen díky těmto vložkám lze šroubové spoje ke stěnám monokoku patřičně utáhnout.
NÁVRH VYŽADUJE NÁROČNÉ VÝPOČTY A TESTY Popis složení zní jednoduše, cesta k němu ale byla dlouhá. Vývoj monokoku pro sezonu 2013 začal již v polovině loňského roku. Důvodem byl náročný návrh kompozitních výrobků i následná relativně složitá výroba. Kompozitní materiály totiž stále ještě nejsou běžnou součástí strojních konstrukcí. Vyšší náročnost vývoje oproti dílům kovovým je dána především anizotropií uhlíkových vláken. V základním stavu mají kovy ve všech směrech stejné vlastnosti, kdežto uhlíkové vlákno je pevné pouze v podélném směru. To umožňuje vytvořit pomocí vrstvení uhlíkové tkaniny v různém směru díly přesně na míru zatížení, kterému budou vystaveny. Výpočetní metody pro návrh kompozitních dílů ovšem ještě nejsou tak rozšířené jako u kovů. Výrobci kompozitních dílů, kteří tuto problematiku ovládají, si pak své know-how bedlivě střeží. Proto bylo během vývoje monokoku v laboratořích Odboru pružnosti a pevnosti Ústavu strojírenské technologie ČVUT provedeno několik desítek zátěžových zkoušek různých vzorků. Na základě výsledků těchto zkoušek se následně upravily vstupní parametry pevnostních výpočtů.
S VÝROBOU POMOHLY TUZEMSKÉ FIRMY Samotná výroba monokoku si vyžádala stovky hodin práce. Pro dosažení vysoké pevnosti bylo zapotřebí monokok doslova upéci v autoklávu (přetlakové peci). Dostatečně velkým autoklávem disponuje LA Composite, výrobce kompozitních dílů do dopravních letadel, helikoptér i vozů pražského metra. Aby byla zajištěna shodná tepelná roztažnost a stabilita při vysoké teplotě a vysokém tlaku, musely být i samotné formy vyrobeny z uhlíkových vláken. Na samotném začátku výroby uhlíkových forem přitom stály opět formy, tentokrát ze speciálního epoxidu. Přesné obrábění těchto epoxidových forem zajistil MBtech Bohemia, který má s výrobou takových forem bohaté zkušenosti. Tím to však celé teprve začalo. Následoval několikaměsíční maraton pokládání jednotlivých vrstev uhlíkových vláken, vložek a jader, to vše prokládáno vždy mnohahodinovým tvrzením v autoklávu. Přesné pokládání vrstev je klíčové pro mechanické vlastnosti výsledného výrobku, proto se při něm využívá laserového navádění.
PEVNÁ OPORA PRO DŮLEŽITÉ ČÁSTI ZÁVODNÍHO VOZU Monokok musí splňovat přísná pevnostní kritéria daná pravidly soutěže Formula Student / SAE. Zároveň slouží jako základní nosná část vozu, na kterou je připojeno zavěšení přední nápravy, řízení, přední přítlačné křídlo a zadní část vozu s pohonným ústrojím a zadní nápravou. Splnění bezpečnostních kritérií se prokazuje prostřednictvím výsledků zátěžových testů předepsaných vzorků dlouho před samotným závodním nasazením. Není divu, stejně jako ve formuli 1 je monokok bezpečnostní schránkou pro jezdce. Kromě bezpečnosti jezdce je žádoucí také vysoká torzní tuhost mezi nápravami, především kvůli správnému vedení kol ve všech možných manévrech. V zatáčkách totiž na vůz působí boční přetížení přesahující 2G. Tuhost vypočtenou počítačovými simulacemi následně konstruktéři vozu ověří praktickým experimentem.
ČÍSLO 5 ŽIJE Výroba samotného monokoku byla hotova v druhé polovině května. Od té doby tým intenzivně pracoval na dokončení zbylých částí vozu. Po celý červenec pak byl vůz podrobován intenzivnímu testování a ladění, protože 30. července začíná studentskému týmu první soutěž. Na slavném okruhu v německém Hockenheimu se utká s dalšími 109 vozy světových technických univerzit v soutěži Formula Student Germany. Hned druhá štace nového vozu bude na domácí půdě, 8.–11. srpna se na Czechring do Hradce Králové sjede celkem 36 týmů. Tým ČVUT bude s vozem FS.05 patřit jednoznačně mezi favority soutěže, stejně jako na následné Formula Student Hungary. Sezonu uzavře tým v Itálii, kde před dvěma lety obsadil 6. místo.
Formula Student / SAE je nejprestižnější celosvětová konstrukční soutěž pro studenty inženýrských škol, která vznikla v USA v roce 1981. Od roku 1998 existuje její evropská odnož, Formula Student. Obě soutěže mají stejný cíl a prakticky stejná pravidla. Každý rok se v rámci Formula Student / SAE pořádá po celém světě 8 soutěží. V současné době v seriálu Formula Student / SAE soutěží více než 470 univerzitních týmů z celého světa. Formula Student / SAE představuje de facto konstrukční úkol, který by mohla položit jakákoliv automobilová výrobní firma. Zadáno je fiktivní výběrové řízení na vývoj vozu formulového typu, přičemž zákazník, pro kterého je vůz určen, má být víkendový neprofesionální závodník holdující autokrosu nebo sprintu. Vůz proto musí disponovat velkým výkonem ve smyslu co nejlepší akcelerace, brzdění a ovladatelnosti. Musí být nejen rychlý a esteticky na úrovni, ale také levný a spolehlivý a se snadnou údržbou. Produkční plán je 1000 vozů za rok. Týmy pak mají za úkol vyvinutý vůz demonstrovat jedním prototypem. Na soutěžích se vůz poměřuje s návrhy konkurence, resp. dalších univerzit. Je třeba zdůraznit, že ve Formuli Student / SAE nevyhrává nejrychlejší vůz, hodnotí se i prvky jako bezpečnost, spolehlivost, ovladatelnost nebo cena, které musí být v patřičné rovnováze.