Futóműfejlesztés a BMW-nél

Az egész azzal kezdődött, hogy kérdezősködni kezdtünk az R 1200 R futóművéről. Amikor a kérdések már túlságosan tolakodóak lettek, a BMW meghívta a szerzőt a futóművek fejlesztéséért felelős részleghez. Az első lecke, amit ott megtanult: a szimuláció egy nagyon fontos és komoly dolog.


1. Virtuális fázis

A gyors számítógépek és a komplex szoftverek lehetővé teszik az egyes alkatrészek szilárdságának és élettartamának, sőt, akár egy motorkerékpár menettulajdonságainak szimulációját is. Minél pontosabb a szimuláció, annál gyorsabban, olcsóbban és biztonságosabban zajlanak a fejlesztési és tesztelési fázisok.

Anyagszilárdság és tartósság

Piros tartományok: egy pontos szimuláció gyorsan elárulja, hol vannak kritikus helyek. Például egy hegesztésnél, az S 1000 RR lengővillájánál vagy az F 800 GS futóművénél. Aki alaposan megnézi a képeket, látja az előrejelzés fontosságát.





Kickback-szimuláció

Ezt a diagramot könnyebb átlátni, mint ahogy az első pillantásra tűnik: a kék vonal jelzi az első kerék terhelését. Minél lejjebb van, annál kisebb – egészen az egykerekezésig. Némi időeltolódással reagál az első kerék rugózása (zöld vonal). A piros a gyorsan csillapodó kormánycsapkodást mutatja – virtuális motorkerékpárunk problémamentesnek ígérkezik a kickback szempontjából.




Topológiaoptimalizálás

Topológiaoptimalizálás avagy hogyan lehet a legjobban kihasználni a rendelkezésre álló teret?

A számítógép 90 ciklusban – szaknyelven iteráció – minden olyan anyagot kiszed a kék „tárcsakerékből“, ami nem szükséges az előzetesen meghatározott terhelés elviseléséhez. De vajon melyik járműhöz készül ez a kerék?


2. fázis: a prototípus megépítése

A virtuális fázis befejeződött, most már valódi motorkerékpárokat építünk. Az állítható vagy gyorsan kicserélhető komponenseknek köszönhetően könnyű a gyakorlati optimalizálás, például a futómű-geometria vagy az üléspozíció esetében.

Variálható komponensek

S 1000-változatok: ez a villahíd lehetővé teszi az offset és ezáltal az utánfutás gyors módosítását (fent). Toine Ruhe (jobbra), a futóműfejlesztő részleg vezetője és Gerhard Lindner (balra) sajtószóvivő mosolyog az újságírók azon kívánságán, hogy egyszer ők is eljátszhassanak ilyen alkatrészekkel. A lenti fotón Ralph Schwickerath, a prototípusgyártás vezetője magyaráz a különböző lengővilla-változatokról.




Az üléspozíció szimulálása

Kollégánk a PS-től, Volkmar Jacob szokatlan üléspozícióban: egy C 650 Sporthoz hasonló nagy robogóval, amelynek az ergonómiáját itt beállították, nem kerül ilyen helyzetbe. Ugyanakkor érdekes volt látni, hogy mely motorkerékpárok mely alkatrészeit mutatták meg nekünk, és melyeket nem. Nem tudtunk szabadulni a gondolattól, hogy összefüggés lehet ez és a várható újdonságok között

Villa a mérőpadon

Ezen a mérőpadon a villa súrlódását vizsgálják valódi hajlító terhelés alatt, azaz azt nézik meg, hogyan reagál a villa a terhelésre. El lehet képzelni, hogy ez mennyire hasznos az álló és mozgó cső, valamint a csúszópersely közötti optimális holtjáték kikísérletezésénél vagy milyen jó szolgálatot tesz a szimeringek könnyű járása és tömítőképessége közti kompromisszum keresésénél.



3. fázis: menjünk biztosra!

A tesztek előtt mérőpados vizsgálatok hosszú tortúrája következik. Már a prototípus alkatrészeinek is olyan terheléseket kell kibírniuk, amelyek több ezer kilométeres menettávnak felelnek meg, mielőtt egyáltalán belefognánk a tesztelésbe.

Hidraulikus mérőpad

Bár a vizsgált alkatrészekre óriási erők hatnak hosszú ideig, a tényleges terhelés időnként még ennél is nagyobbnak bizonyul. Így történt az R 1200 GS teleleverének villadugóinál, amelyek egyes esetekben elengedtek. Az azóta alkalmazott új, nyomásos eljárást még kritikusabb teszteknek vetik al.

Hogy lehet ilyen kezes a R 1200 R, miközben futómű-geometriája láttán valami egészen mást várnánk tőle? A kérdés mindig is a levegőben lógott, de a válasz rá alapos kerülővel érkezett. Nem is ért igazán célba; ahelyett, hogy megtudtuk volna, hogy mitől ilyen fordulékony a BMW roadstere, kollégám, Volkmar Jacob (PS magazin) és én abba a folyamatba kaphattunk betekintést, hogy mitől lett ilyen, amilyen.



Az első lépés az R és a hasonló BMW-modellek esetében a lehető legpontosabb szimuláció. Elsősorban az egyes futóműalkatrészek szilárdságát, merevségét és élettartamát szimulálják. Minden egyes alkatrészt – főváz, váznyúlvány, lengővilla, kerekek stb. – nagyjából hat hétig számol a számítógép, amit úgy képzeljünk el, mint egy virtuális pengeélen táncolást a merevség és a könnyűépítés között.

Ezen szimulációk alapja a végeselem-módszer (FEM): egy konstruktőr egy terület-, térfogat- és vonalelemekből álló építőelem-készletből összerak egy alkatrészt. Az egyes elemek tulajdonságait matematikailag leírják, a számítógép pedig az elemek sokaságából kiszámolja a teljes alkatrész tulajdonságait. Azt, hogy hogyan viselkedik a gyakorlatban fellépő terhelések hatására, hol lépnek fel a legnagyobb nyomó-, húzó- vagy hajlítóerők, a kísérletek által nyert adatok alapján lehet szimulálni. Példákat az előző oldalakon olvashatnak.

Ha a szilárdságot és az élettartamot érintő számítások szakasza lezárult, a konstruktőrök az egyes alkatrészcsoportokból a számítógépen megépítik a teljes motorkerékpárt, és szimulálják a menettulajdonságait. Különös figyelmet fordítanak három kritikus körülményre, a remegésre (nagyfrekvenciájú kormánymozgás, inkább kis sebesség), az imbolygásra (amikor az egész motorkerékpár kis frekvenciával mozog a hosszanti tengelye körül, nagyobb sebesség) és a kickbackre (kormánycsapkodás másodpercenként 10-15 kilengéssel). A náluk lévő adatok segítségével teljes köröket tudnak szimulálni különböző versenypályákon. Így egy motorkerékpár menettulajdonságai nagyjából 90 százalékos pontossággal ábrázolhatók.

Lehet, hogy eddigi fejtegetésünk azt a benyomást kelti, hogy a konstrukció folyamata túlnyomórészt hűvös matematikából, átláthatatlan számítástechnikai műveletek milliárdjaiból áll, ami csak számítógépes zsenik számára van fenntartva. Ez nem így van. Épp ellenkezőleg, nagyon fontos az intenzív kommunikáció és együttműködés. Mivel egy motoron végeredményben minden a vázzal van összekötve, a konstruktőröknek minden héten legalább egy úgynevezett „packaging-időpontra“ van szükségük ahhoz, hogy más részlegeken dolgozó munkatársaikkal meghatározzák a számos összetevő helyzetét. Az is nagyon fontos, hogy a különböző csövek, kovácsolt és öntött alkatrészek beszállítóit minél korábban bevonják a közös munkába.

Ezzel elő is készítették a valóságba átvezető lépést, ennek ellenére egyetlen motorkerékpár sem hagyja el a virtuális teret azelőtt, hogy a konstrukciót olyan mértékben optimalizálták volna, hogy menet közben minden modellszámítás szerint problémamentesen fog viselkedni. Innentől azonban a dolog kézzelfogható valósággá válik, a konstrukciós részleg irányításával egy valódi motorkerékpár jön létre. Ezért a prototípust építő szakemberek a felelősek. Ekkor bizonyos mértékben a kísérletezés és a tévedés lehetősége is teret kap – az optimalizáláshoz a szerelők például olyan betéteket építenek bele a vázba, amelyek segítségével módosítható a kormánynyak szöge, a lengővilla csapágyazásának helyzete, változtatható a villahíd beállítása azért, hogy az utánfutást gyorsan lehessen módosítani, kipróbálnak különböző merevségű lengővillákat és különböző áttételeket a hátsó rugózás himbarendszerénél.


A víz és sár csak a valódi menetpróbán jön!

Egy ergonómiai mérőpadon optimalizálható a pilóta és az utas üléspozíciója, gyakorlatilag végtelen számú variációban a kormány és a lábtartók helyzete, illetve az üléspozíció módosításával. A prototípusgyártók egyik részlege a rugózó elemek hangolásával foglalkozik, kísérletezget a rugókkal, betétcsomagokkal, olajviszkozitással, olajszintekkel, és minden variációt először mérőpadokon tesztelnek, többek közt egy olyanon, amely a villa súrlódását méri hajlító terhelés esetén.

Ugyanakkor egyetlen, a prototípusgyártás keretében létrehozott összetevőt sem lehet csak úgy egyszerűen tesztelni, először minden egyes alkatrészt vagy rendszert be kell biztosítani. Ami óvatos fogalom egy erőszakos procedúra leírására. A futóműveket vagy azok egyes alkatrészeit egy hidraulikus mérőpadon rögzítik, és hidraulikus hengerekkel minden olyan irányból ütik-verik, ahonnan a valóságos működés közben erők hatnak. Az erők irányát és nagyságát hasonló motorkerékpárokkal végzett tesztmenetekből kísérletezik ki, és felszorozzák a kívánt élettartamra. Eszerint az így meghatározott terhelés szerint egy központi pumpával 250 bar nyomással táplált hidraulika húzza-vonja, nyomja és hajlítja a rögzített alkatrészt. Éjjel-nappal, heteken át, olyan erővel, amit nézni is rémisztő. A prototípusok alkatrészeit a tesztek előtt nagyjából 5000 kilométerre hitelesítik, a sorozatban gyártott alkatrészeket viszont már az elvárt élettartam másfélszeresére. Azt, hogy ez hány kilométert is jelent, a futóműfejlesztők nem akarják elárulni. Végül az alkatrészeket a mérőpadon addig terhelik, míg végül eltörnek, de legalább egy előre meghatározott törésterhelésnek ellen kell állniuk. A tesztek csak ez után kezdődhetnek. A sorozatgyártás pedig még bő 100 000 kilométernyire van.

És az R 1200 R kérdése? Továbbra is rejtély marad. Túlnyomórészt legalábbis, hiszen legalább egy utalást kaptunk a bokszermotor hosszában fekvő főtengelyére, amelynek giroszkópikus nyomatéka kisebb ellenállást tanúsít a kanyarodással szemben, mint egy soros motor keresztben beépített tengelye. Ezt viszont már eddig is tudtuk.