Sähköauton alustarakenteen suunnitteluprojekti

Vesa Nuutamo

Karelian konetekniikan koulutusohjelma on ollut mukana sähköauton suunnitteluprojektissa jossa Citroen 2CV autoa muokataan sähköautoksi. Sähkömoottorilla varustettu auto on jo läpäissyt katsastuksen ja on nyt koekäytössä. Käytännönläheisen projektin kautta konetekniikan opiskelijat ovat saaneet hyödyllistä oppia materiaalitekniikasta ja sen asettamista vaatimuksista suunnittelussa. Yhteistyötä ollaan jatkamassa ensi syksynä kun autoa kehitetään edelleen.

Yhteistyön taustaa

Jorma Lemmetyinen on eläkkeellä oleva lentokoneenrakennuksen DI. Hän aloitti vuonna 2006 hiilikuituisen matalalämpöprepregin käytön Helsingin ammattikorkeakoulu Stadian CityCab- projektissa, jossa opiskelijat suunnittelivat ja valmistivat kaupunkitaksiin hiilikuituisen rungon Ilomantsissa. Projektin jälkeen hän otti uuden materiaalin kaupalliseen käyttöön ja valmisti siitä usean vuoden ajan ambulanssien paarien lukitusalustoja.

Vuonna 2013 käynnistyi yhteistyö Karelia-ammattikorkeakoulun kanssa L_7e-kategorian sähköauton hiilikuiturungon lujuuslaskennassa. Konetekniikan koulutusohjelma valikoitui yhteistyökumppaniksi, koska Lemmetyinen tarvitsi projektissaan mallinnus- ja lujuuslaskenta-apua.

Aihiosta sähköautoksi

Kuva 1. L7e-ajoneuvo tulee muistuttamaan Citroen 2CV:n pakettiautoversiota. Kuva: Bold Ride LLC.

Rungon päämitat, alustan laitteet ja pääkomponentit olivat samat kuin Citroen 2CV:llä moottoria lukuun ottamatta. Citroen 2CV valikoitui ajoneuvoaihioksi, koska siihen oli saatavana hyvin varaosia ja siinä oli poikkeuksellisesti itsekantava alusta, mikä mahdollisti erillisen korirakenteen. Hiilikuitu kevensi ajoneuvon rakennetta niin, että ajoneuvo pystyttiin tekemään L_7e-kategoriassa. Tällöin ei tarvitse huolehtia autolta vaadittavista törmäystesteistä, turvatyynyistä jne. L_7e rajoittaa auton tehon 15 kW:iin. Henkilöautoversiossa L_7e-kategoria sallii auton omaksi painoksi 400 kg ilman akkuja ja kuormaksi 200 kg (2 henkilöä + tavarat 50 kg). Pakettiautoversiossa vastaavasti auton oma paino saa olla 550 kg ja kuorma 1000 kg (2 henkilöä + tavarat). Laskelmat osoittivat, että sähköauto pystytään toteuttamaan pakettiautoversiona valitulla sähkömoottorilla (kuva 1).

Kuva 2. Citroen 2CV muutettuna sähköautoksi. Kuva: Jorma Lemmetyinen.

Koska hiilikuituinen ajoneuvo valmistetaan 2CV:n pohjalle, sähköjärjestelmän testit voitiin tehdä vanhalla Citroen 2CV Charlestonilla (kuva 2). Polttomoottorin tilalle asennettiin 10 kW harjaton kestomagnetoitu 72 V tasavirtamoottori ja LiFePO4-akut. 2CV:n sallittu kokonaismassa on 930 kg, joka oli erittäin lähellä suunniteltavan L_7e-ajoneuvon kokonaismassaa. Pienestä moottorista johtuen sen kokonaismassa ei tule ylittämään 1000 kg, vaikka se olisi mahdollista. Näin ollen testausajoista saatu ajokokemus oli suoraan hyödynnettävissä hiilikuituiseen L_7e-ajoneuvoon oli se sitten henkilö- tai pakettiauto.

Sähkömoottorilla varustettu 2CV katsastettiin tammikuussa 2015 ja siitä asti Lemmetyinen on ajanut sillä testiajoa Möhkön ja Ilomantsin kirkonkylän väliä (n. 25 km). Järjestelmän akut painavat 78 kg ja lataus kestää normaalista 220V/16A pistokkeesta runsaat 2 h. Yhdellä latauksella pystyy ajamaan runsaat 60 km ja ajamisen hinta on noin 1,6 €/100 km (10 kWh/100 km).

Sähköjärjestelmän suunnittelun rinnalla alkoi alustarakenteen ja korin suunnittelu. Karelia-ammattikorkeakoulun konetekniikan koulutusohjelmassa alettiin oppilastyönä tekemään alustarakenteen teknistä suunnittelua ja muotoilussa korille uutta ilmettä.

Kuva 3. a) Citroen 2CV:n alusta b) uudessa alustarakenteessa käytettävä kerroslevyrakenne, jossa mustat pintakerrokset on valmistettu hiilikuituprepregeistä ja keltainen välikerros on kovaa SAN-vaahtoa. Kuva: Vesa Nuutamo.

Alustarakenteen suunnittelu

Yhteistyökumppani ­Jorma Lemmetyinen halusi muuttaa auton alustarakenteen (kuva 3a) hiilikuitulujitteiseksi, mikä tarkoitti käytännössä kerroslevyrakennetta (kuva 3b), jossa ohuet pintakerrokset ovat hiilikuitulujitteisia. Lujien pintakerrosten välissä on kova muovivaahtokerros, mikä tekee rakenteesta erittäin kevyen ja jäykän. Kerroslevyrakenteen mallinnus ja lujuuslaskenta on merkittävästi haasteellisempaa ja työläämpää kuin perinteisempien teräsrakenteiden johtuen hiilikuiturakenteesta.

Alustan suunnittelussa käytettiin hyväksi olemassa olevaa alustaa sekä Lemmetyiselle kertynyttä käytännön kokemusta hiilikuiturakenteiden valmistuksesta. Tavoitteena oli kevyt, mutta riittävän kiertojäykkä rakenne. Lujuuslaskennassa rakenteen käyttäytymistä tarkasteltiin tilanteessa, jossa auto olisi kahden ristikkäin olevan pyörän varassa. Käyttäytymistä arvioitiin kuormitustilanteessa syntyneiden muodonmuutosten ja jännitysten perusteella. Lujuusanalyysin perusteella tehtiin rakenteeseen muutoksia ja ajettiin uusi analyysi. Tätä toistamalla alustarakenne saatiin lopulta vaiheeseen, jossa se voitaisiin valmistaa ja testata todellisessa kuormituksessa. Alustaan jäi vanhasta rakenteesta vain pyöränripustimet ja iskunvaimennus, muuten rakenne oli muutettu kerroslevyrakenteiseksi. Kuvissa 5-7 on esitetty suunnittelun lopputuloksena saatu uusi alusta ja sen käyttäytyminen ajatellussa kuormitustilanteessa.

Projektissa on saatu oppia uudenlaisesta materiaalitekniikasta ja sen asettamista vaatimuksista suunnittelussa. Sen tarve tulevaisuudessa varmasti lisääntyy, kun rakenteet pitää saada entistä kevyemmiksi. Siksi projektiin osallistuminen on ollut ensiarvoisen tärkeää niin konetekniikan koulutusohjelmalle kuin projektissa olleille opiskelijoille.

Kuva 4. Alusta uudelleen mal- linnettuna

Kuva 5. Alustaan kuormituk- syntyvät jän- sessa syntyvät jännitykset (pääosin alle 10 MPa)

Kuva 6. Alustan siirtymät mm:nä kuormituksessa (maksimiarvo on n. 20 mm)

Tulevia haasteita

Myöhemmin Lemmetyinen halusi vielä tarkastella rakennetta, jossa runko ja kori muodostaisivat yhtenäisen kokonaisuuden. Tällöin koko rakenne jäykistyisi ja alustaa voitaisiin edelleen keventää. Lisäksi hän halusi muuttaa myös loputkin metalliosat alustassa hiilikuiturakenteiseksi.

Ensi syksynä projekti jatkuu, kun konetekniikan opiskelijoita viimeiseltä vuosikurssilta jatkaa rakennesuunnittelua ja –testausta osana suunnittelutekniikan opintoja. Tavoitteena on, että uutta rakennetta päästäisiin rakentamaan vuoden 2016 lopussa. Osallistumalla tähän projektiin opiskelijat saavat käytännön kokemusta vaativasta painokriittisten rakenteiden suunnittelusta. Se laajentaa heidän ammatillista osaamistaan ja tulee antamaan heille etua työmarkkinoilla.

Vesa Nuutamo
lehtori
Karelia-ammattikorkeakoulu