فرمول یک ایران:  تایر خودرو فرمول وان در طی یک مسابقه چه رنج دمایی را پشت سر میگذارد؟

دنیای فرمول یک علم مهندسی مواد را همانند دیگر علوم به چالش کشیده است که باعث  پیشرفت های چشمگیری در زمینه تولید تایر هایی با ترکیباتی خاص از مواد به منظور ایجاد عملکرد مورد نیاز راننده ها و تیم ها با توجه به قوانین فرمول یک شده است. علمی که از ساخت تایر برای فرمول یک شروع شد و به ساخت انواع جدیدترین جلیقه های ضد گلوله منجر شد.

حال سوال اینجاست .

تایر اتومبیل فرمول وان چه ویژگی خاصی دارد و چه دمایی را تحمل میکند؟

بنابراین به تحلیل حرارتی تایر خودرو فرمول یک در طی مسیرهای منحنی و مستقیم در سرعت های مختلف و فشارهای جانبی متفاوت می پردازیم.

ابتدا دست به شبیه سازی تایر اتومبیل فرمول یک در نرم افزار های مهندسی میزنیم.

با توجه به ابعاد اعلام شده از طرف کمپانی سازنده میتوان ابعاد شبیه ساز را به ابعاد واقعی تایر نزدیک کرد.

ابعاد مربوط به تایر خودرو فرمول یک تا انتهای فصل 2016:

78

 

 

حال با توجه به ابعاد میتوان  به شبیه سازی روی آورد و تایر خودرو فرمول یک را در نرم افزار های مهندسی شبیه سازی کرد.

شبیه سازی تایر اتومبیل فرمول یک :

شبیه ساز تایر خودرو فرمول یک

شبیه ساز تایر خودرو فرمول یک

شبیه ساز تایر خودرو فرمول یک

شبیه ساز تایر خودرو فرمول یک

 

 

 

 

 

 

 

 

بنابراین با داشتن ابعاد میتوان شبیه ساز را با نمونه واقعی نزدیک کرد تا انتظار پاسخ نزدیک به واقعیت را از نرم افزار داشته باشیم.

برای تحلیل  پس از نیاز به هندسه ی مناسب نیاز به جنس مواد به کار رفته شده در تایر به شدت احساس می شود از این رو به سراغ پیدا کردن مواد به کار رفته در تایر و در صد تشکیل دهنده هر کدام از مواد و در نهایت وارد کردن مشخصه های مواد نظیر سختی و مقاومت حرارتی مواد و ضرایب الاستیسیته و پلاستیک مواد به علاوه چگالی و ضریب پواسون مواد می رویم.

لازم به ذکر میباشد که چگونگی تکنولوژی ساخت تایر برای تحلیل لازم نمیباشد و در جواب نرم افزار تاثیر گذار نیست از این رو میتوان در وارد کردن مشخصات جنس مواد به کار رفته در تایر از روش برآیند گیری مواد کامپوزیتی استفاده نمود.

 

به مواد به کار گرفته شده و مشخصات مواد و همچنین درصد تشکیل این مواد در تایر پیرلی از نوع سافت می پردازیم.

 

1) ماده ی اصلی تایر ها پلی ایزوپرن (Polyisoprene)  میباشد که به کائوچو یا لاستیک طبیعی معروف هستند که به میزان 3.6 کیلوگرم یعنی 40 درصد یک حلقه تایر جلو را تشکیل می دهد.

2)  ماده SBR (Styrene Butadiene Rubber) 

با دانسیته : 0.92 _ 0.95 g/cm3 .    

به میزان  630 گرم برای هر حلقه از تایر جلو یعنی 7 درصد

3)  carbon black به میزان 900 گرم یعنی 10 درصد برای هر حلقه از لاستیک جلو

4)  Sulfur به میزان 450 گرم یعنی 5 درصد برای هر حلقه لاستیک جلو

5) BR (Butadiene Rubber) یا پلی بوتادین PB (Polybutadiene)

به میزان 1.8 کیلوگرم یعنی 20 درصد

6) ZINC OXIDE به میزان 360 گرم یا 4 درصد .

7) ژل Silica  به میزان 900 گرم یعنی 10 درصد

8) Antioxidants  anti-ozone and  جمعا 360 گرم یعنی 4 درصد.

لازم به ذکر است وزن  هر حلقه تایر جلو 9 کیلوگرم میباشد.

حال مشخصات مواد را در نرم افزار وارد کرده و با روش برآیند گیری مواد کامپوزیتی به هندسه ی تایر شبیه سازی شده نسبت میدهیم.

بنابر این شبیه ساز از مشخصات هندسه و وزن و مقادیر ضرایب مقاومتی حرارتی و مقاومت الاستیکی و پلاستیکی کامل شده و آماده برای آنالیز مقاومت حرارتی می باشد. در ضمن می بایست شرایطی را نظیر سرعت دورانی اولیه و ثانویه برای آنالیز ترتیب داد.

ابتدا آنالیز حرارتی شبیه ساز تایر از سرعت 340 کیلومتر بر ساعت به توقف کامل در مسیر مستقیمی و با در نظر گرفتن شرایط غلطش کامل (بدون هیچ گونه لغزش) در هنگام ترمز گیری شدید طی 3.5 ثانیه می پردازیم.

در این شرایط لاستیک با سرعت حدود 50 دور در ثانیه به حالت ساکن میرسد . (غلطش کامل بدون لغزش)

فریم ثانیه صفر ترمزگیری در دمای 150 درجه سانتیگراد (دمای مناسب برای چسبندگی) :

فریم ثانیه صفر ترمزگیری در دمای 150 درجه سانتیگراد

فریم پایان ثانیه اول ترمز گیری:(رسیدن دمای تایر به 320 درجه سانتیگراد)

فریم پایان ثانیه اول ترمز گیری

فریم پایان ثانیه دوم ترمز گیری:(رسیدن دمای داخل تایر به 700 درجه سانتیگراد و بیرون تایر به 500 درجه سانتیگراد)

فریم پایان ثانیه دوم ترمز گیری

فریم پایان ترمز گیری:(رسیدن دمای تایر به 950 درجه سانتیگراد)

فریم پایان ترمز گیری

این تحلیل در شرایط حرکت دورانی تایر به صورت غلطش کامل بود و هیچ گونه لغزشی را تایر طی فرایند ترمز گیری نداشت.

حال به تحلیل شرایط غلطش + لغزش میپردازیم بدین صورت که در هر 10 دور غلطش یک دور لغزش محاسبه میشود بنابراین سرعت لاستیک از 55 دور بر ثانیه با 5 دور لغزش به حالت ساکن میرسد .

فریم پایان ثانیه اول ترمزگیری:(رسیدن دمای تایر به 360 درجه سانتیگراد در نقاط لغزشی)

رسیدن دمای تایر به 360 درجه سانتیگراد در نقاط لغزشی

به گپ حرارتی ایجاد شده  توسط لغزش و همچنین توزیع ناهمگن حرارت دقت کنید.

فریم پایان ثانیه دوم ترمز گیری:(رسیدن دمای تایر به 850 درجه سانتیگراد)

رسیدن دمای تایر به 850درجه سانتیگراد در نقاط لغزشی

وجود لغزش در تایر باعث اختلاف حرارتی زیادی در ثانیه مشابه نسبت به شرایط ترمزگیری بدون لغزش شده است.

فریم پایان ترمزگیری:(رسیدن دمای تایر به 1025درجه سانتیگراد)

رسیدن دمای تایر به 1025درجه سانتیگراد در نقاط لغزشی

با مقایسه این دو شرایط میتوان نتیجه گرفت که در فرایند ترمزگیری هرچه لغزش کمتر باشد تایر خودرو ماکزیمم دمای کمتری خواهد داشت که در نتیجه عملکرد و عمر مفید تایر بهتر و بیشتر خواهد یود که این امر میتواند در نتیجه ی نهایی تیم موثر باشد. حال آن که لغزش کمتر در فرایند ترمز گیری به عواملی چون مهارت راننده و عملکرد دیسک و پد ترمز بستگی دارد. بنابراین میتوان اهمیت دقت در ترمزگیری را بهتر درک کرد. بنابراین با جرات میتوان گفت دقت در ترمزگیری و اعمال فشار صحیح بر پدال ترمز بر عمر مفید و عملکرد تایر تاثیر بسزایی دارد.

تحلیل را از شرایط شتابگیری منفی در مستقیمی به شرایط شتاب گیری مثبت در مسیر های منحنی تغییر میدهیم. (همانند پیچ 3 در پیست بارسلون اسپانیا)

پیچ 3 در پیست بارسلون اسپانیا

 

در این پیچ (پیچ شماره 3) شتاب گیری مثبت توسط لوییس همیلتون در دور تعیین خط گرند پری بارسلونا سال 2016 از دنده 5 باسرعت 212 کیلومتر بر ساعت  به دنده 7 با سرعت 288 کیلومتر بر ساعت با ست لاستیک سافت صورت گرفت که تایر جلو سمت چپ فشار بسیار زیادی را از نظر حرارتی و الاستیکی و پلاستیکی تحمل کرد.

بنابراین به تحلیل های حرارتی و تغییر شکل در این مثال خواهیم پرداخت.

در این شتابگیری بیشترین فشار بر روی لاستیک های سمت چپ خودرو (به دلیل پیچ به سمت راست لاستیک های چپ در شعاع بیرونی پیچ قرار گرفته بودند) بوده است که سرعت دورانی بیشتر ( به دلیل قرار داشتن در شعاع بیرونی پیچ ) به علاوه فشار جانبی مضاعف دلیل این مهم میباشد.حال از میان این دو تایر سمت چپ بیشترین فشار بر روی لاستیک جلو وارد میشود.

این شتابگیری از ابتدای پیچ 3 تا خروج از آن به مدت 5.5 ثانیه بوده است که فریم به فریم حرارتی آن را بررسی میکنیم.

دمای اولیه تایر جلو سمت چپ در پایان پیچ 2 و شروع پیچ سوم:(170 درجه سانتیگراد)

دما 170 درجه سانتیگراد در نقاط بیرونی تایر

پایان ثانیه دوم شتاب گیری:( رسیدن از سرعت 212 کیلومتر بر ساعت به سرعت 250 کیلومتر بر ساعت)

دما 300 درجه سانتیگراد در نقاط بیرونی تایر

پایان ثانیه چهارم شتابگیری:(رسیدن سرعت به 275 کیلومتر بر ساعت)

دما 570 درجه سانتیگراد در نقاط بیرونی تایر

 پایان پیچ سوم : (رسیدن به سرعت 288 کیلومتر بر ساعت)

دما 860 درجه سانتیگراد در نقاط بیرونی تایر

پایان شتابگیری تا سرعت 295 کیلومتر بر ساعت در مسیر مستقیمی کوتاه بعد از طی کردن پیچ:( قبل از ترمزگیری برای پیچ 4)

دما 360 درجه سانتیگراد در نقاط بیرونی تایر

نتایج آنالیز نشان میدهد فشار بر روی جداره ی بیرونی تایر (که بیرونی ترین نقاط لاستیک در شعاع خارجی پیچ می باشند) بسیار بالا بوده که سبب افزایش دما تا حدود 860 درجه سانتیگراد در قست بیرونی تایر شده است.

اکنون میتوان به  اهمیت این نکته پی برد که رانندگان میبایست قبل هر پیچ دمای تایر خود را به مقدار کافی پایین آورده تا هنگام پیچ  تایر از حرارت بالا از بین نرود .

حال به آنالیز تغییر شکل در همین مثال (پیچ شماره 3 بارسلونا) میپردازیم.

تغییر شکل در شتابگیری در پیچ به سمت راست:

تغییر شکل در شتابگیری در پیچ به سمت راست (نما از عقب)

 

تغییر شکل در پیچ به سمت راست (نما روبرو)

تغییر شکل در ترمزگیری شدید در مستقیمی:

تغییر شکل در ترمزگیری شدید در مستقیمی

اکنون میتوان مفهوم  تاثیر نوع رانندگی در فرمول وان بر روی عمر تایر را درک کرد چرا که کنترل حرارت و گرم شدن و سرد شدن های مکرر و همچنین کنترل تغییر شکل های تایر توسط راننده در یک استراتژی در مسابقه بسیار مهم بوده و میتواند به استفاده از استراتژی مناسب تر در تعویض تایر ها کمک کند. حال آنکه استراتژی های متفاوتی را از تیم ها برای استفاده از تایر ها در طول یک مسابقه را همیشه شاهد بودیم و خواهیم بود.

جداول ضرایب اصطکاک و نمودار تغییرات اصطکاک حرارتی و جداول پاسخ  به منظور روان تر شدن متن از این نوشته حذف گردیده است.

۱۳ دیدگاه

قابل توجه تمام کاربران سایت فرمول یک ایران : از این پس جهت برخورد با کاربران متخلف جرایمی در نظر گرفته شده است که لازم است کاربران در هنگام ارسال دیدگاه خود نهایت دقت را فرمایند ، در بیان دیدگاه ها از توهین به دیگران و رانندگان و ... خودداری کنید ، در صورت مشاهده بدون در نظر گرفتن هر ملاکی IP فرد متخلف مسدود خواهد شد و دیگر نمیتواند وارد سایت شود .
    • محمد علی بهشتی

      0

      0

      شبیه سازی و متریال بندی با نرم افزارهای SolidWorks و pro engineer
      تحلیل حرارتی در محیط Abaqus cfd و تحلیل تغییر شکل در محیط Abaqus cae standard

      پاسخ دادن
  1. Ali H

    0

    0

    بسیار عالی و مفید در ضمن خیلی خوبه که از dtm و دیگر مسابقات نیز در سایت میگذارید ممنون

    پاسخ دادن
  2. Empt1983

    0

    0

    سلام ممنون عالي بود
    اي كاش در مورد تفاوت لاستيكها هم مطلب ميزاشتيد
    مثلا علت تفاوت عمرشون در شرايط يكسان و….

    پاسخ دادن
  3. Alireza

    0

    0

    پس چرا آقای صباغ میگه دمای عملیاتی لاستیک حدود 100-120 درجه است ????

    پاسخ دادن
    • محمد علی بهشتی

      0

      0

      ببینید رنج دمای مناسب برای چسبندگی تایر بین 110 الی 120 درجه سانتیگراد برای سطح لاستیک میباشد و حتی در حین مسابقه این دما به 160 درجه سانتیگراد میرسد اما این اعداد برای سطح لاستیک هستند و به منظور رسیدن به چسبندگی مناسب
      اما چالش بزرگتری برای تایر وجود دارد به نام عمر مفید و تغییر شکل که برای بالا بردن عمرمفید و بهتر کردن عملکرد می بایست دمای الیاف تایر را مورد بررسی قرار داد . نمودار های گرافیکی عنوان شده در این مقاله نمایشگر عدد سانتیگراد برای دمای الیاف تایر هستند که در حین مسابقه دمای الیاف تایر به 1200 درجه سانتیگراد نیز خواهد رسید. حال انکه این دما بسیار عدد قابل توجه و مهمی در عمر مفید تغییرات شکل و عملکرد تایر میباشد.

      پاسخ دادن

Leave a Reply

Your email address will not be published.