Kilpa-auton osan valmistus – olka-akseli
Mikä on olka-akseli?
Olka-akselilla tarkoitetaan pyöräntuennan komponenttia, johon esimerkiksi ajoneuvon pyörä voidaan kiinnittää laakerin välityksellä. Kun kuljettaja kääntää ohjauspyörää, ohjauksen mekanismi kääntää olka-akselia, joka saa pyörän kääntymään. Pyöräntuentatyypistä riippuen ohjauksen välityksen lisäksi olka-akseliin voidaan joutua kiinnittämään ala- ja ylätukivarsi, jarrulaitteisto, sekä heilahtelunvaimennin, joka tunnetaan arkikielellä myös nimellä iskunvaimennin. Voidaan todeta olka-akselin olevan hyvin kompleksinen kiinteä kappale.
Jokaisen olka-akseliin kiinnitetyn kappaleen tulee olla nivelletty tai laakeroitu, koska yhtä siihen kiinnitettyä kappaletta liikuttaessa myös kaikki muut kappaleet liikkuvat. Jokainen kiinnitetty kappale muodostaa nivelpisteen ja nämä nivelpisteet ovat avainasemassa olka-akselin toiminnan tarkasteluun. Ohjauspyörän kääntöliike, ajotilanteessa tapahtuva joustoliike ja näiden yhdistelmä saa nivelpisteet elämään. Nivelpisteitä halutaan tarkastella suunnitteluvaiheessa hyvin laajasti simuloiden jokaista mahdollista ajotilannetta. Onneksi tällaiseen tarkasteluun on kehitetty pyöräntuennan geometriaa ja kinematiikkaa simuloivia ohjelmistoja, joilla pyöräntuennan toimintaa eri ajotilanteissa on mahdollista tarkastella tietokoneen ruudulla.
Hyvin suunniteltu on puoliksi tehty
Jo suunnittelun alkuvaiheessa tulee huomioida lukuisia seikkoja, ennen kuin fyysistä osaa aletaan valmistaa. Alla listattuna asioita, joita suunnittelija väistämättä joutuu pohtimaan:
· Rajoitteet
· Mahdollisuudet
· Materiaalit
· Valmistustapa
· Ajoneuvon käyttötarkoitus
· Resurssit
Edellä mainitut asiat voidaan asettaa tiettyyn järjestykseen, joka määrittelee projektin etenemisen. Esimerkiksi resurssien ollessa lähes rajattomat, voidaan harkita koko osan valmistuksen ulkoistamista tai jopa pyrkiä ostamaan valmis tuote.
Tämän opinnäytetyön osalta suunnitelma aloitettiin tekemällä kilpa-auton rakenteiden mittaus, joten saatiin rajattua ja määritettyä nivelpisteiden tulevia koordinaatteja. Kilpa-auto asetettiin tarkoin teräslevylle, jossa useita mittauksia suoritettiin. Mittausvälineitä olivat mm. ristilinjalaser ja rullamitta. Seuraava vaihe oli mahdollisten nivelpisteiden koordinaattien sijoittaminen jousitusgeometriaohjelmaan. Jousitusgeometriaohjelmassa testattiin useita eri nivelpisteiden paikkoja ja tämän jälkeen simuloitiin pyöräntuennan toimintaa. Useiden simulointien jälkeen mieleinen paikka nivelpisteille oli määritetty ja tämän jälkeen aloitettiin olka-akselin suunnittelu SolidWorks-mallinnusohjelmalla.
Materiaalivalintaa pohdittiin ja vertailtiin teräksen ja alumiinin välillä. Valmistustapa, resurssit ja kilpa-auton käyttötarkoitus kallistivat päätöksen kuitenkin teräksen puoleen, vaikka tiedostettiin alumiinisen osan olleen eduksi jousittamattomalle massalle. Perinteisempi tapa olka-akselin valmistukselle kilpa-autoilussa olisi ollut alumiinisesta kappaleesta CNC-jyrsimällä, mutta tätä mahdollisuutta itsellämme ei ollut.
Kymmenien suunnittelutyötuntien ja useiden päivien jälkeen olka-akselista alkoi hahmottua projektiin sopivan oloinen kokonaisuus. Suunnittelutyön päätteeksi ennen varsinaisen olka-akselin valmistusta, valmistettiin 3D-tulostettu prototyyppi, johon jarrulaitteistoa sovitettiin.
Varsinaiseen valmistukseen päästiin käsiksi, kun olka-akselin levymäiset kappaleet oli valmistettu plasmaleikkurilla levymäisistä kappaleista. Joitakin kappaleista muotoiltiin särmäyspuristimella, jotta ne saatiin sopimaan kokoonpanoon ja hitsatuksi kiinni toisiinsa, kun taas joitakin osa-kokonaisuuksia valmistettiin kokonaan sorvaamalla.
Alla on esitetty evoluutiokuva projektin etenemisestä suunnitteluvaiheesta prototyyppiin ja prototyypistä valmiiseen kappaleeseen.
Vaikka teoriassa kaikki näyttää hyvältä, projektin todellinen onnistuminen ratkeaa vasta, kun kilpa-autoa on päästy radalla testaamaan.
Lähde:
Koskinen, P. 2023. Putkirunkoisen auton etuolka-akselin suunnittelu ja valmistus – Theseus, Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.