MILLAISTA ON AJAA SÄHKÖKÄYTTÖISTÄ FORMULA-AUTOA?

Aerodynamiikan testausta Vihdin Kartinradalla. Siipiin teipatut villallangat kertovat ilmavirtauksen. 

Maker3D sponsoroi Metropolia Motorsport Formula -projektia antamalla testattavaksi kaikki uudet 3D-tulostusmateriaalit sekä -tarvikkeet, erikoismateriaaleja sekä muita asiaan liittyviä tuotteita, joita projektin myötä tullaan tarvitsemaan. Lisäksi konsultoimme heitä erilaisin tulostuksiin liittyvissä asioissa, kuten materiaalivallinnoissa ja jälkikäsittelymenetelmissä.  Käytöstä ja kokemuksista kerromme erillisissä jutuissa , joista kaksi on jo julkaistu, 1. osa Metropolia Motorsport  ja 2. osa Metropolia Motorsport. 

Testaustulosten lisäksi meitä alkoi kiinnostaa millaista on ajaa Formulaa ja minkälainen itse auto on. 
Haastattelimme aiheesta Formulatiimin tiimipäällikkö Markus Jahnia. 

Autohan on hyvin erikoinen ja sellaisia ensiksi mieleen tulevia seikkoja ovat, että se on sähköauto ja vaihteeton - siinä ei ole kuin kaasu ja jarru. Sillä on oma erikoinen vinkuva äänensä, mutta yleisesti kilpa-autoihin verrattuna paljon hiljaisempi.  Auton tyypillisimpiä ominaisuuksia ovat mm. sen keveys, painoa on vain 230 kg, siinä on alla kunnon sliksit eli sileät renkaat, joiden ansiosta pito on aika valtava. Isot siivet tuovat huomattavissa määrin lisää downforcea (= pitovoimaa). Auto on hyvin ketterä ja nopea ja sillä on helppo ajaa. Sitä voisi ehkä kuvailla mikroautona, jossa on aivan liian paljon käytössä olevia tehoja 80 kW(107 hv). Mikroautoissa hevosvoimia on 20-30.  Formulan kiihtyvyys 0 - 100 on hieman yli 3 sekuntia. Kilpailujen yhtenä osuutena on ajaa 75 m kiihdytys ja siinä paras aikamme on ollut 3,72 s ja loppunopeutena n. 113 km/h. Auton ehkä huikein puoli on siinä, ettei ole montaakaan katuautoa, joka yltäisi samoihin suorituksiin. Esimerkki vertauksena yli 250 000 € maksavan sporttisen Porsche Panamera Turbo Sport Turismon (404 kW, 549 hv) kiihtymiseen 0 - 100 km/h menee aikaa 3,8 s.

AUTON KIIHTYVYYS

Kyllähän auto työntää ihan kunnolla, mutta siinä istutaan tukevasti kunnon penkissä ja ollaan vöissä kiinni, niin tunne ei ole sama kuin esim. tavallisessa autossa istuttaessa olisi. Itselle nuo kilpa-autot ovat jo sen verran tuttuja, ettei siihen tule juurikaan kiinnitettyä huomiota. 

Erikoinen ominaisuus löytyy siitä, että voima ei lopu autosta. Käytännössä autolla ajetaan vakiovääntömomentilla ja mitä suuremman nopeuden auto saavuttaa, sitä enemmän siinä on tehoja, kunnes 80 kW tehoraja savutetaan. 

AUTON NOPEUS TEHORAJASSA

Koko auto on suunniteltu mataliin nopeuksiin, koska ajonopeudet Formula Student -radoilla ovat 50-80 km/h. Radat ovat periaatteessa kooltaan mikroautoratoja. Parhaat tällä kaudella saavutetut nopeudet 75 metrin kiihdytyksissä ovat 115 km/h tasoa.

Edellä mainitun kaltaisia nopeuksia saavutetaan vain kiihdytyksissä ja turvallisuussyistä nopeuksia pyritään pitämään matalampina muissa kilpailujen dynaamisissa osuuksissa. Vaikka kyseessä ovatkin kovatasoiset insinööriopiskelijoiden rakentamat prototyyppiautot, eivät kilpailujen järjestäjät siitä huolimatta ole turvallisuussyistä halukkaita päästää niitä ajamaan suuremmilla nopeuksilla.
 

Jarrutesti Baltic Open Bohemiassa

AUTON AJETTAVUUS

Autossa ei ole kuin kaksi poljinta kaasu ja jarru, joten ajaminen on varsin yksinkertaista ja helppoa. Ohjaus on nopea, formula on kevyen massansa ansiosta helppo hallita ja pitoa on paljon. Toisaalta nopeuden kasvaessa mikään ei sitten enää olekaan helppoa. 

AUTON TESTAUS

Metropolia Motosportilla on sopimus Vihdin UAn kanssa testata Vihdin kartingradalla aina maanantaisin. Radan ympäristölupa määrittelee maanantait melun vuoksi niin, että radalla ei saa ajaa äänekkäillä polttomoottoriautoilla laisinkaan. Sähköauton etuna on matala äänitaso minkä takia tiimi voi ajaa myös ns. hiljaisina päivinä radalla. Testipäivät ovat iso asia auton suunnittelulle ja edelleen kehittämiselle. 
 

Kaatosateessa Endurance Pisekin kartingradalla, Baltic Open Bohemia

AJAMISEN ILO

Vaikka Markus Jahnilla on taustaa kilpa-autojen kanssa ja ajaminen ei aina ole se pääasia, voi tekniikkapuolelta löytää ihan oman viehätyksensä. Kun taustalla on monenlaisia autotalliprojekteja, osaa arvostaa hyvien sponsoreiden kanssa yhteistyössä rakennettua korkealaatuista projektia. 

Yhtenä tiimin valteista on auton itsevalmistettujen osien määrä. Metropolia Motorsport pystyy koneistamaan ja tekemään teräksestä sekä kuiduista, kuten hiilikuidusta ja aramidista (= aromaattinen polyamidi, joka on hyvin kuumuutta ja kulutusta kestävää synteettinen kuitu. Lähde: Wikipedia)  osia, mutta ilman loistavia yhteistyökumppaneita materiaalien suhteen jäisi moni osa valmistamatta. 3D-tulostuksissa on Maker3D kustantanut käytettävät materiaalit. 

KÄYTÖSTÄ POISTETUT AUTOT

Metropolia Motorsport rakentaa joka vuosi uuden formulan. Auton rakentamiseen saa osallistua niin kauan kuin on opiskelijana. Valmistuneille opiskelijoilla on 7kk valmistumisen jälkeen aikaa työskennellä tiimissä. Vanhat tiimiläiset ovat perustaneet alumnijärjestöjä, jotka ovat ottaneet huolehtiakseen kisansa lopettaneista autoista.  Muutamia Metropolia Motorsportin entisiä autoja on säilytetty ajokuntoisina. Vanhoille autoille on olemassa vuosittain järjestettävä Baltic Open -kisa. 
 

AUTON KÄYTTÖIKÄ

Kilpailujen päätarkoituksena on opettaa opiskelijoille auton suunnittelua ja valmistusta. Opiskelijat pääsevät oikeasti valmistamaan jotain pelkän teoriakoulutuksen sijaan. Kun auton on myös toimittava kilpailuissa, nousee vaatimustaso huomattavasti koulusuorituksia korkeammalle.

Yhtenä mielenkiintoisena aspektina kilpailuissa on ”teollisuusvakoilu” mikä tarkoittaa, että pyritään kopioimaan nopeampien tiimien autoissa käyttämiä ratkaisuja. Tässä on huonot ja hyvät puolensa, jos ei ymmärrä kopioidun rakenteen toimintaa saattaa hyvin helposti tehdä huonoja design ratkaisuja. 

Tuleva HPF018-auto saamassa muotoaan kun katteita sovitellaan runkoon

KILPAILUN SISÄLTÖ

Kilpailussa joka tiimillä pitää olla vähintään neljä kuskia. Erilaisia dynaamisia ajo-osuuksia on neljä: kiihdytys, vakionopeusympyrä, autokrossi ja endurance. Kiihdytyksessä ajetaan 75 metrin matka paikaltaan lähtien ja vakionopeusympyrässä (on itseasiassa kahdeksikko) ajetaan mahdollisimman suurella nopeudella. Se on perustapa tutkia, kuinka paljon sivuttaisia G-voimia auto pystyy kehittämään ennen ympyrän keskiöstä poistumista (Formula 1 -autojen kiihtyvyys äkkijarrutuksessa tai maksimi arvo tiukan kurvin aikana = 6-6,5 g. Ihmisen maksimikestävyys suoraviivaiseen kiihtyvyyteen selän suuntaan 10 sekunnin ajan (monet pyörtyvät jo 7g kiihdytyksissä) = 12g.) 

Autokrossissa otetaan aika yhden ratakierroksen ajosta. Endurance on suoritus mihin autot ovat akuston kestävyyden puolesta suunniteltu. Siinä akkujen pitäisi kestää 22 km:n ajomatka radalla. Tehoja lasketaan hieman 80kw maksimitehosta. Akuston kapasiteetti rajoittaa tehojen käyttöä, jos käytetään liikaa tehoa, niin akku loppuu kesken matkan. 

ONNETTOMUUDET KISOISSA

Viime kesänä Unkarin kilpailuissa syntyi vaaratilanne, johtuen järjestelyorganisaation virheistä radan rakennuksessa. Fast Forest -tiimin auto karkasi käsistä radan röykkyisyyden takia ja osui tolppaan. Kuski selvisi ilman kolhuja, mutta autosta tuli entinen. Tilanteen vaarallisuutta vähensi teknisten sääntöjen vaatima rungon turvallisuus. Lisäksi alhainen nopeus vähensi vaurioita. 

Pelkästään runko-osaston turvallisuusmääräyksiä koskevan tekstin määrä on n. 20 sivua ja siinä on kerrottu hyvin tarkat vaatimukset mm. auton etuosassa olevalle IA:lle (= Impact Attenuator), mikä ottaa keulatörmäyksessä voimaa vastaan ja vähentää kuskiin kohdistuvaa hidastuvuutta. IA:lle pitää tehdä kolaritestit, joita Metropolia Motorsport on suorittanut Klippanilla. Testeissä IA törmäytetään autoa painoltaan vastaavalla kelkalla seinään ja mitataan saavutetut kiihtyvyydet, joista saadaan IA:n tehokkuus. 

 Unkarin kilpailussa tilt test. Tilt testissä autoa kallistetaan 60 asteen kulmaan asti eikä se saa kaatua

TURVATOIMIEN TÄRKEYS

Siitä että Formula Student on enemmän auton suunnittelukilpailu kuin ajamista, kertoo se, että tiimin pitää palauttaa yli 1000 sivua erilaisia dokumentteja autosta. Kun asioita tehdään normaalin opiskelun ohessa, dokumenttien kirjoittaminen varsinaisen auton rakentamisen lisäksi on haastavaa. Ajankäyttö on yksi tiimin suurimmista ongelmista. Formulan valmistuksessa huolellisesta suunnittelusta kertoo muun muassa se, että yhtään auton osaa ei valmisteta ennen kuin kyseinen osa on suunniteltu ja sovitettu paikalleen 3D-mallissa. 

Tiimin toimintavuosi jaetaan suunnittelu- rakennus-, testi- ja kilpailukauteen.  Aluksi suurin osa ajasta menee auton 3D-mallinnuksessa, mutta kaikki koneistaminen, 3D-tulostaminen, laserleikkaus, vesileikkaus ja kuitutöiden muotit perustuvat tehtyihin mallinnuksiin. Meneillään olevalla kaudella tiimi taistelee jälleen aikaa vastaan, koska koulun muutto Helsingin keskustasta Vantaan Myyrmäkeen on tuonut useita viivästyksiä tämän vuoden projektiin. Kiirettä riittää ja koko ajan joudutaan miettimään, miten vastaan tulevista ongelmista selvitään määriteltyjen aikataulujen puitteissa.

KISOJEN ANTI KOKEMUSTEN JA KÄYTÄNNÖN OPPIMISEN LISÄKSI

Kaikista Formula Student -tiimeistä pidetään maailmanlaajuista ranking -listaa. Metropolia Motorsport löytyy tällä hetkellä sijalta 29, jota voidaan pitää hyvänä suorituksena 139 kovatasoisen sähkötiimin joukossa. 

Voi olla vaikea hahmottaa, mutta Metropolia Motorsport on loppujen lopuksi hyvin pieni tiimi.  Tiimiin kuuluu noin 30 henkilöä, joista puolet osallistuvat aktiivisesti toimintaan. Vertailun vuoksi suurissa Keski-Eurooppalaisissa tiimeissä on yli 100 hlöä, joista aktiivisia on myös noin puolet tiimiläisistä. Myös sponsoririntamalla on Eurooppalaisilla tiimeillä helpompaa, sillä esimerkiksi suuria autoalan yrityksiä ja autotehtaita on enemmän. Suomessa saa tehdä aika paljon hommia, että oltaisiin samalla tasolla Keski-Eurooppalaisten tiimien kanssa.

Pienen tiimin etuja on, että tiimiläisillä on kattavammin mahdollisuus oppia ja tehdä asioita paljon enemmän. Metropolia Motorsport suunnittelun lisäksi myös valmistaa osansa itse. Tiimiltä löytyy huomattavat mahdollisuudet koneistaa, 3D-tulostaa, valmistaa kuiduista tai hitsata erilaisia osia. Tästä kiitos kuuluu loistaville materiaalisponsoreillemme, Metropolialle ja opettajille jotka tukevat ja auttavat opiskelijoita suoriutumaan vaativimmista valmistustehtävistä. Metropolia Motorsportin formulasta yli 90 prosenttia on opiskelijoiden valmistamaa ja se on myös tiimimme vahvin valtti. 

Helsingin Kartingradalla HPF017sen esittelytilaisuus