Efektowny wygląd poszycia ma duże znaczenie – jest on wizytówką pojazdu i z pewnością jest ważny dla promocji Koła. Nadwozie bolidu przeznaczonego do jazdy z minimalnym zużyciem paliwa spełniać musi jednak znacznie więcej wymogów niż tylko te związane z wyglądem. Aby odnosić sukcesy w zawodach Shell Eco-marathon, konstrukcja musi cechować się niewielką masą i minimalnym oporem aerodynamicznym. Nowa Kropelka to pojazd o nadwoziu samonośnym, co w połączeniu z zastosowaniem nowoczesnych, bardzo wytrzymałych materiałów, zapewnia niezwykle mały ciężar. Dodatkowo już na etapie projektowania bezwzględnie trzeba wziąć pod uwagę potrzebę łatwej i wygodnej instalacji podzespołów we wnętrzu pojazdu oraz zadbać o bezpieczeństwo i dobrą widoczność dla kierowcy. Nazwa naszego Koła nie wzięła się jednak znikąd i nie trudno się domyślić, że to właśnie optymalizacja geometrii pod kątem minimalnych oporów aerodynamicznych była pierwszym punktem nowego projektu i to ona w największym stopniu wpłynęła na obecny kształt Kropelki.
 
Początkowym etapem projektowania było stworzenie modelu parametrycznego poprzez obudowanie owiewką kierowcy, silnika i kół. Dwóch członków koła wykonywało te prace równolegle i niezależnie, korzystając ze specjalnego programu optymalizującego. Tym samym wstępnie przebadanych pod kątem minimalnych oporów aerodynamicznych zostało blisko 150 modeli! Nieznacznie różniły się one od siebie parametrami geometrycznymi. Mając tak szeroki wybór, spokojnie założyć można, że nie pozostało nic innego jak wybrać wersję o najmniejszym współczynniku oporu, prawda? Otóż, nie do końca. Okazało się, że model o najlepszych właściwościach aerodynamicznych jest zbyt mały i nie zmieściłby w sobie podzespołów i kierowcy. Z tego powodu do dalszej optymalizacji wybrano model o nieco gorszych własnościach aerodynamicznym, ale za to bardziej przestronny.
 
Przed dalszymi obliczeniami i kolejnymi godzinami spędzonymi przed ekranami komputerów, przyszła pora na odrobinę ćwiczeń fizycznych. Aby rozwiać wszelkie wątpliwości dotyczące rozmiarów wybranego modelu i przyszłej pozycji kierowcy, drużyna SKAP-u wykonała styropianowy model wnętrza pojazdu w skali 1:1. Kolejne przekroje pojazdu wycinane były w płytach grubości dziesięciu centymetrów i sklejane w odpowiedniej kolejności. Przymiarka wyszła niezwykle pomyślnie. Wybrany kształt mógł ze sporym zapasem zapewnić kierowcy bezpieczną pozycję i dobrą widoczność. Czas więc ponownie rozgrzać procesory.
 
Drugim krokiem obliczeniowym była nieparametryczna optymalizacja wybranej geometrii za pomocą dedykowanego do tego celu modułu zawartego w programie do obliczeń aerodynamicznych. Tak jak i w całym artykule, nie będziemy skupiać się na szczegółach procedury – ważne, że w tym etapie udało się zmniejszyć współczynnik oporu z 0,145 do 0,098. Czyli, bardziej obrazowo, siłę oporu działającą podczas jazdy z prędkością 36 km/h (maksymalna prędkość, jaką poruszać się będzie Kropelka podczas zawodów) zredukowano o blisko 1/3 (z 1,65 N do 1,11 N). 

Taki opis niezupełnie sprawiedliwie oddaje ilość wykonanych obliczeń. Ostateczny kształt poddawany był analizom pod kątem przeróżnych parametrów opływu, a dzięki wstępnym analizom wytrzymałościowym wyznaczono minimalną grubość powłoki. Zaprojektowano również linie szyb, zapewniających pełną widoczność w zakresie 200o! Żeby ta praca nie poszła na marne, zadbać należało o precyzyjne odwzorowanie wybranej geometrii przechodząc do wykonania poszycia. Jak w takim razie przebiega proces technologiczny? 

Zdecydowano, że poszycie wykonane będzie z laminatu włókna węglowego. Kompozyty takie otrzymuje się poprzez nasycenie warstw zbrojenia (węglowego) wypełniaczem w postaci żywicy infuzyjnej. Na zewnętrzny kształt wybrane zostało płótno o gramaturze 80 g/m2 oraz jednokierunkowa tkanina o gramaturze 200 g/m2 na wręgi wzmacniające. Ostatecznie, aby uniknąć nadmiernej wiotkości konstrukcji skorupa będzie nieco grubsza niż obliczona wartość minimalna.

Laminowanie wykonane było przy użyciu metody infuzji – jednym z najbardziej zaawansowanych technologicznie procesów wytwarzania kompozytów. Polega ona na układaniu suchego zbrojenia na odpowiednio przygotowanym negatywowym foremniku, przykryciu warstwami ułatwiającymi rozprowadzenie i przesycanie żywicy, a następnie szczelnym zamknięciu formy, wytworzeniu podciśnienia i zassaniu płynnej osnowy. Zdecydowaliśmy się na wykonanie poszycia tą techniką z kilku powodów. Po pierwsze zapewnia ona doskonałe odwzorowanie kształtu foremnika, co jest bardzo istotne ze względu na minimalizację oporów aerodynamicznych. Co więcej taka procedura pozwala uzyskać najlepszy stosunek zbrojenia do żywicy, a co za tym idzie, mniejszą masę oraz lepsze właściwości mechaniczne i wytrzymałościowe. Efekt takich działań powinien być oszałamiający. Przewidywana masa blisko 3 metrowej długości poszycia wynosi bowiem około 2,5 kg!
 
Niezwykle ważne jest dla nas, aby wszystkie możliwe prace wykonywane były przez członków koła samodzielnie. Foremniki i poszycie wykonujemy sami. Nie bez trudów i poświęceń. Formy, na przykład, powstawały poprzez ręczne laminowanie 11 warstw włókna szklanego. Wykonanie jednego zajmowało około 15 godzin ciągłej pracy! Dzięki właśnie takim działaniom zdobywamy cenną wiedzę i doświadczenie. Jedyny wyjątek od powyższej reguły stanowi pozytywowy model poszycia, który posłużył do stworzenia form do laminowania. Ten wykonany został przez zewnętrzną firmę na profesjonalnych urządzeniach, precyzyjnie odwzorowujących kształt wymodelowany na komputerach. Postanowiliśmy w tym przypadku złamać naszą zasadę, ponieważ sami nie bylibyśmy w stanie stworzyć zadowalająco dokładnego modelu. Biorąc pod uwagę wysiłek, jaki włożony został w optymalizację kształtu pojazdu wykonanie modelu w prowizorycznych warunkach mijałoby się z celem.
Robert Sampławski 

 Jednym z najciekawszych elementów w Kropelce 2015 jest przednia belka pojazdu. Dlaczego jest niezwykła? Dlatego, że skręcanie odbywa się za pomocą skrętu całej belki, a nie samych kół. Jest to nietypowe rozwiązanie, którego do tej pory nie widzieliśmy w żadnym innym pojeździe biorącym udział w Shell Eco-marathonie.

Głównym powodem dlaczego zdecydowaliśmy się na takie rozwiązanie jest zmiana w regulaminie zawodów. Mianowicie zmniejszony został dopuszczalny promień skrętu z 10m do 8m oraz wprowadzono zakaz skręcania za pomocą tylnego koła. W związku z tym konieczne było nowe podejście do tematu układu kierowniczego i zawieszenia.
Co uwarunkowało zaproponowany kształt belki? Oczywiście ważne dla nas było, aby pojazd stawiał jak najmniejszy opór aerodynamiczny. Sprowadzało się to do jak najlepszego odwzorowania kształtu zawieszenia, który otrzymaliśmy z obliczeń i optymalizacji. Równie ważnym kryterium była sterowność pojazdu. W projekcie uwzględniliśmy także minimalizację masy oraz łatwość prowadzenia przewodów wewnątrz zawieszenia.
 
Uwzględniając minimalny dopuszczalny przez regulamin promień skrętu obliczony został maksymalny kąt skrętu naszego bolidu. Kąt ten wynosi αmax = 16°.
Korzystając z analiz i optymalizacji aerodynamicznych przeprowadzonych wcześniej, uzyskaliśmy pożądaną geometrię. Wykonano to tak, aby możliwie jak najlepiej przybliżyć optymalny kształt i zapewnić dany zakres promienia skrętu. Dodatkowo zdecydowaliśmy się na poprowadzenie wewnątrz belki zawieszenia przewodów hamulcowych oraz elektronicznych do pomiaru prędkości kątowej kół. Dzięki schowaniu ich w środku nie będą one ingerowały w aerodynamikę pojazdu, co będzie miało pozytywny wpływ na współczynnik oporu bolidu.
 
Ze względu na skomplikowaną geometrię belki dosyć długo trwały dyskusje na temat poprowadzenia struktury przenoszącej obciążenia z kół do bryły pojazdu. Ostatecznie zdecydowaliśmy się na podzielenie belki na dwie części: przenoszącą obciążenia oraz na owiewkę aerodynamiczną.
 
Część przenosząca obciążenia zostanie wykonana z kompozytu węglowo-epoksydowego, a zbrojenie będzie położone pod kątem +/- 45 st. Dodatkowo wzmocnimy strukturę pasami wykonanymi z włókna węglowego jednokierunkowego wraz z mieszanką sycącą. Zadaniem tych pasów będzie przenoszenie obciążeń od zginania, mogące osiągać do 400 Nm momentu gnącego.
 
Owiewka wykona będzie z 3 warstw włókna węglowego o gramaturze 80 g/m^2. Podobnie jak w przypadku poszycia zastosujemy metodę infuzji, aby jak najdokładniej odwzorować geometrię i uzyskać bardzo gładką powierzchnię.
 
Ze względu na fakt, że siły działające na belką mogą przyjmować wartości większe od 1 kN, szczególną uwagę poświęciliśmy wykonaniu mocowań koła z belką oraz mocowaniu kolumny z belką. Zadecydowaliśmy, że elementy te będą wykonane ze stopów aluminium. Połączymy je ze strukturą nośną za pomocą kleju metakrylowego, który zapobiegnie wyrwaniu mocowań.
 
Większość części układu zostanie wykonana ze stopów aluminium ze względu na ich niską gęstość. Kolumna kierownicza będzie połączona z bryłą pojazdu za pomocą kołnierza, który przykręcimy śrubami do wręgi pojazdu. Kierownica w pojeździe będzie składana, tak aby ułatwić możliwie jak najszybsze wyjście kierowcy z pojazdu. Według regulaminu zawodów ma on 10 sekund na opuszczenie bolidu o własnych siłach.  

SILNIK
Wraz z pracą nad poszczególnymi elementami nowego modelu pojazdu Kropelka, nie mogło obyć się bez rozważań na temat jednostki napędowej. W końcu przecież to od niej w największym stopniu zależy ekonomia jazdy, przekładająca się bezpośrednio na wynik uzyskiwany podczas corocznych zawodów z serii Shell Eco-marathon.
Na początku Kropelka napędzana była przez zmodyfikowany silnik Honda GX25, który z powodu szerokiej gamy zastosowań i seryjnej produkcji zaprojektowany został z myślą o niskim koszcie wykonania i łatwości serwisowania. Zastosowane rozwiązania, takie jak wysokoobrotowa charakterystyka pracy (maksymalna moc osiągana dopiero przy ponad 7000 obr/min), aluminiowy odlew całego korpusu wraz z komorą spalania czy pozostawienie niekorzystnie ukształtowanych powierzchni wewnątrz kanału dolotowego i wydechowego nie pozostały bez wpływu na powstające podczas działania straty zarówno cieplne, jak i mechaniczne. Z powodu wykonania wielu części jako nierozbieralnych zespołów, utrudnione zostały także wszelkie modyfikacje silnika, które mogłyby polepszyć jego wydajność.

Członkowie koła zdecydowali się więc na budowę własnego silnika od podstaw. Po dokładnym zagłębieniu się w regulamin zawodów, udało się ustalić podstawowe założenia jakie będzie spełniała nowa jednostka napędowa. Kluczowym zagadnieniem było ograniczenie do minimum zużycia paliwa, co w konsekwencji oznaczało konieczność zwiększenia sprawności całkowitej silnika. Kolejne wymagania, czyli szybkie rozgrzewanie silnika do temperatury roboczej, łatwość i pewność częstego rozruchu oraz możliwe spowolnienie procesu oddawania ciepła po wyłączeniu silnika narzuciła strategia wykorzystania napędu podczas zawodów.
Podczas badań oszacowano, że do utrzymania stałej prędkości 30 km/h pojazd potrzebuje 100-150 W ciągłej mocy. Silnik o tak małej mocy cechowałby się stosunkowo niską sprawnością, dlatego przyjęto strategię polegającą na okresowym osiąganiu optymalnej szybkości, a następnie wyłączaniu silnika i dalszej jeździe rozpędem. Dodatkowo, spory zapas mocy ułatwi przyspieszanie, ale również pomoże pokonać możliwe nachylenie terenu i zmienny wiatr na torze.
Szybko rozpoczęto pracę, która po włożeniu w nią ogromnej ilości zaangażowania i czasu wielu osób zaowocowała dokładnym projektem i modelem silnika, spełniającym wszystkie wyznaczone wcześniej kryteria. Wykonano setki obliczeń, w tym także przeprowadzono symulacje wytrzymałościowe najważniejszych podzespołów. Następnie dzięki środkom uzyskanym w ramach grantu „Generacja Przyszłości” przyznanego kołu przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego RP udało się zbudować zaprojektowany silnik, który ma szansę okazać się jednym z najbardziej ekonomicznych na świecie.
W stosunku do poprzedniej jednostki napędowej przeprowadzono szereg zmian, które sprawiają że jego konstrukcja różni się nieco od większości konwencjonalnych silników. Dzięki temu można być pewnym, że nowy silnik o oznaczeniu KR1 jest jedyny w swoim rodzaju.
Najbardziej istotną różnicą jest rezygnacja z zasilania benzynowego na rzecz etanolu. Decyzja taka zapadła między innymi ze względu na jego wysoką liczbę oktanową (RON = 108,6), która z kolei pozwala na istotne zwiększenie sprawności silnika dzięki zastosowaniu dużego stopnia sprężania przy zachowaniu możliwości użycia standardowych elementów układu paliwowego. Nie bez znaczenia pozostał również fakt wielu dostępnych prac naukowych poświęconych optymalizacji spalania etanolu. Niestety, jako paliwo nie jest pozbawiony wad. Jego duże ciepło parowania utrudnia proces przygotowania palnej mieszanki, a mieszanina powietrza i etanolu ma jedynie niewiele ponad 60% wartości opałowej benzyny 95-oktanowej.
Aby efektywniej wykorzystywać ciepło wydzielane w komorze spalania uznano, że silnik powinien charakteryzować się wydłużonym suwem sprężania, czyli realizować tzw. teoretyczny cykl pracy Atkinsona. Pole pod wykresem p(V) będące graficzną interpretacją pracy w jednym cyklu zwiększyło się w stosunku do klasycznego cyklu Otto.
Dodatkowo, mając na uwadze ograniczenie strat cieplnych i mechanicznych dzięki osiąganiu dostatecznej mocy przy małych prędkościach obrotowych, w efekcie kompromisu przyjęto objętość skokową 58 cm3. Wynika ona z wybranego drogą symulacji stosunku skoku tłoka do średnicy cylindra równego 1,25 i zastosowania cylindra o średnicy 39 mm, co umożliwia wykorzystanie seryjnie dostępnych tłoków (np. do silników Honda GX35 i Kymco Agility 4T).
Po uwzględnieniu cech konstrukcyjnych różnych układów korbowych (m. in. układu Atkinsona i Honda Exlink) zdecydowano się na wybór koncepcji silnika o układzie klasycznym i o późnym zamknięciu zaworu dolotowego (LIVC – Late Intake Valve Closing). Główną zaletą takiej konstrukcji jest prostota, łatwość budowy silnika i faktyczne, mierzalne zwiększenie sprawności całkowitej. LIVC jest obecnie jedną ze strategii często realizowanych dla obniżenia zużycia paliwa (m. in w silnikach samochodów Toyota Prius i Nissan Micra).
Inną niecodzienną cechą prototypowego silnika jest rozrząd desmodromiczny, który pozwala całkowicie wyeliminować z układu sprężyny odpowiedzialne za powrót zaworów i zamknięcie kanału dolotowego lub wydechowego. Mechanizm ten został wynaleziony przez Ducati w latach 50., co przyczyniło się do wielu zwycięstw motocykli tej marki w zawodach klasy Supermoto. Dzięki takiemu rozwiązaniu można uniknąć strat mocy silnika wynikających z pokonywania oporu sprężyny zaworu. Na tę chwilę w układzie rozrządu zastosowano za to wyłącznie elementy toczne, dzięki czemu ograniczyliśmy straty mechaniczne, a podzespoły głowicy silnika praktycznie nie wymagają smarowania.


Dane techniczne prototypu silnika:
Typ silnika: czterosuwowy. Jednocylindrowy, chłodzony powietrzem
Paliwo: etanol
Pojemność cylindra: 58 cm3
Stopień sprężania: regulowany podkładkami, od 17:1 do 13:1
Moc maksymalna: ok. 0,75 kW (1,02 KM) @ 3200 obr/min
Szacowana sprawność całkowita: 30-35%