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. így 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. így 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.