Zespół Cerber Motorsport z Politechniki Białostockiej zbudował nowy hybrydowy bolid klasy Formula Student

Bolid CMS-09 klasy Formula Student  przez dwa lata budował interdyscyplinarny zespół Cerber Motorsport ze Studenckiego Koła Naukowego Auto-Moto-Club działającego na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej. Nowa konstrukcja waży zaledwie około 218 kilogramów i pod poszyciem z włókna węglowego kryje zmodyfikowany silnik, unowocześniony układ zmiany biegów czy udoskonaloną konstrukcję nośną i zawieszenie. To już dziewiąte auto tej klasy, jakie zbudowali studenci Politechniki Białostockiej.

– To efekt pracy ludzi z pasją, z energią,  cierpliwych konsekwentnych zdeterminowanych czyli takich, jakich kształci Politechnika Białostocka – mówi dr hab. inż. Marta Kosior-Kazberuk, prof. PB, Rektor Politechniki Białostockiej. – Członkowie koła się zmieniają, ale pasja i determinacja pozostaje. Pragnę podziękować wszystkim, którzy ich wspierają ponieważ zwykle sukces w technice jest efektem pracy dużego zespołu ludzi.

Studenckie bolidy ścigają się na torach ozdobione logiem Województwa Podlaskiego.

– Samorząd województwa podlaskiego stara się wspierać takie fajne pomysły – deklaruje Marek Malinowski, Wicemarszałek Województwa Podlaskiego. – Myślę, że na zawodach które was czekają w kraju i za granicą będziecie bardzo dobrze promować swoją uczelnię czyli Politechnikę Białostocką, ale także województwo podlaskie.

Miasto Białystok wspiera studentów w wyjazdach na zagraniczne zawody.

– To niesamowite, jak pasja która pokazujecie zamienia się w realny byt, jak wasza wiedza i doświadczenie waszych mistrzów, waszych nauczycieli dojrzewa i staje się czymś realnym – mówi Tomasz Klim, Zastępca Prezydenta Miasta Białegostoku. – Jesteśmy dumni jako Miasto Białystok, że możemy was wspierać i, że logo miasta Białegostoku będzie pokazywane na waszym bolidzie.

Podczas prezentacji dr hab. inż. Jarosław Szusta, prof. PB, Prorektor ds. Studenckich przypomniał, że w 2023 roku poprzedni bolid – CMS-08 wygrał w ogólnej klasyfikacji zawodów Formula Student Poland, czyli był najlepszy w Polsce.

– To bardzo drogi sport – przyznaje prof. Szusta. – Studenci nie tylko konstruują i budują bolid, ale także pozyskują na budowę środki finansowe i rywalizują za granicą z bolidami uczelni, które mają o wiele większe możliwości finansowe. Przedsiębiorcy chętnie włączają się w wykonywanie tych konstrukcji, detali  bardzo istotnych w całym procesie budowy bolidu. Bez nich trudno byłoby studentom to wszystko zmontować. Dziękuję wszystkim instytucjom i firmom, które były zaangażowane w budowę tego bolidu. Pomysł, projekt i wykonanie to nie wszystko. Potrzebujemy jeszcze środków, żeby tę konstrukcję urzeczywistnić – z całego serca gratuluję i dziękuję studentom i sponsorom za tak dobre porozumienie i współpracę.

Matecznikiem sukcesów studentów, którzy od ponad dekady budują bolidy klasy Formula Student jest Wydział Mechaniczny Politechniki Białostockiej.

– Ta konstrukcja jest kwintesencją wszystkiego, co reprezentuje Wydział Mechaniczny Politechniki Białostockiej, czyli dążenie do interdyscyplinarności nauki, ale również interdyscyplinarności wśród studentów – mówi prof. dr hab. inż. Michał Kuciej, Dziekan Wydziału Mechanicznego Politechniki Białostockiej. – Dziękuję też opiekunom Studenckiego Koła Naukowego Auto-Moto-Club, w ramach którego działa zespół Cerber Motorsport, czyli dr. inż. Piotrowi Tarasiukowi i dr. inż. Jarosławowi Czabanowi.

CMS-09 to pierwszy hybrydowy bolid w historii zespołu Cerber Motorsport Politechniki Białostockiej. Silniki elektryczne będą wspierać bolid w wolnych zakrętach i w trakcie konkurencji akceleracji.

– Korzystając z doświadczeń nabytych przy poprzednich konstrukcjach, postanowiliśmy pozostać przy projekcie hybrydowej konstrukcji samonośnej składającej się z kompozytowego monocoque z włókna węglowego oraz stalowej pomocniczej ramy przestrzennej – wyjaśnia Julian Rząca, koordynator Działu Konstrukcji Nośnej „Chassis” i jeden z najbardziej doświadczonych kierowców zespołu Cerber Motorsport a zarazem student III sem. studiów II st. na kierunku mechanika i budowa maszyn na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej. – Naszym głównym założeniem było umożliwienie implementacji napędu hybrydowego oraz dostosowanie konstrukcji do nowego zawieszenia. 

– Nos auta został obniżony, środkowa część monocoque dopasowana do nowej kinematyki przedniego zawieszenia, a tylna przeprojektowana, by można było umieścić elementy układu hybrydowego. Zmiany geometrii wymusiły całkowitą zmianę ergonomii kierowcy, nowa pozycja zapewni niezbędną wygodę, bezpieczeństwo oraz sterowność przy jednoczesnym zachowaniu niskiego środka ciężkości kierującego.

Studenci odświeżyli projekt stalowej ramy przestrzennej umiejscowionej w tylnej sekcji bolidu. Wykonana została z cienkościennych rur ze stali chromowo molibdenowej, co pozwoliło na uzyskanie wysokiej sztywności przy zachowaniu niskiej masy.

– Zoptymalizowaliśmy również struktury kompozytowe monocoque, przeprojektowaliśmy układ włókien węglowych oraz wykorzystaliśmy takie o niższej gramaturze, co umożliwiło uzyskanie wyższej sztywności skrętnej przy jednoczesnej redukcji masy – wyjaśnia Julian Rząca.

Dział Aerodynamiki skoncentrował się na poprawie pakietu aerodynamicznego bolidu.

– Udało się nam zoptymalizować kąty natarcia, co przy symulacji przepływowej pokazało, że siła nośna wzrosła o 30%, a opór dynamiczny spadł o 21% – wyjaśnia Karol Myszkiewicz – koordynator Działu Aerodynamiki, a przy tym student III sem. studiów II st. na kierunku mechanika i budowa maszyn na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej. – Zmieniliśmy skrzydła boczne, by dostosować się do nowego systemu chłodzenia. Wykorzystanie pełnego potencjału geometrii zaowocowało zmniejszeniem siły oporu o około 10%.

Nad zawieszeniem auta czuwał zespół koordynowany przez Piotra Cywoniuka, studenta II sem. studiów II st. na kierunku mechanika i budowa maszyn na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej.

– Implementacja układu hybrydowego wymagała od nas wprowadzenia licznych modyfikacji zaczynając od układu hamulcowego, gdzie wprowadziliśmy elektroniczną zmianę rozkładu siły hamowania pomiędzy przednią a tylną osią – wylicza Cywoniuk, koordynator Działu Zawieszenia. – Po raz pierwszy możemy dokonywać zmian prosto z poziomu kierownicy nawet podczas jazdy na torze. Układ kierowniczy również został zmodyfikowany tutaj skupiliśmy się na adaptacji kolumny kierownicy, którą skróciliśmy. Zaprojektowaliśmy także kilka wersji drążków kierowniczych, których wymiana wpływa na zmianę charakterystyki kierowalności bolidów. Ze względu na brak wspomagania układu kierowniczego, projektując nowy układ skupiliśmy się również na zmniejszeniu siły potrzebnej do kręcenia kierownicą, co w znaczącym stopniu ułatwi naszym kierowcom pokonywanie zakrętów i odciąży ich od wysiłku fizycznego.

Największych zmian dokonaliśmy jednak w układzie zawieszenia pojazdu. Instalacja układu hybrydowego w przednich kołach wymusiła na nas kompletne przeprojektowanie geometrii zawieszenia zarówno przedniego jak i tylnego. Małe silniki elektryczne umieściliśmy w 10-calowych obręczach koła.  Musieliśmy od podstaw zaprojektować nową zwrotnicę, piastę oraz przekładnię planetarną. Poza samym umiejscowieniem silników musieliśmy umożliwić odpowiedni skok zawieszenia oraz kąt skrętu kół, unikając przy tym jakiejkolwiek kolizji układu hybrydowego z ruchomymi częściami zawieszenia, takimi jak drążki czy wahacze.

W układzie tylnego zawieszenia zastosowaliśmy nowy stabilizator poprzeczny oraz wprowadziliśmy układ dynamiczny zmiany zbieżności kół wraz z pionowym ruchem koła z możliwością regulacji intensywności tego efektu. To innowacyjny układ, który wraz ze skróconym rozstawem osi prowadzi do zwiększenia zwinności i polepszenia kierowalności auta podczas pokrywania ciasnych i krętych fragmentów torów.

Opracowana na nowo kinematykach umożliwia odpowiedni ruch zawieszenia oraz zapewnia nam maksymalną przyczepność zastosowanej opony. Zastosowaliśmy sprawdzone już przez nas lekkie i  wytrzymałe felgi magnezowe oraz wyścigową oponę typu slick w najbardziej miękkiej mieszance. W najnowszej dziewiątej odsłonie bolidu CMS po raz pierwszy mamy tak szeroki wachlarz regulacji układu podwozia auta. Dzięki temu możemy przeprowadzić szeroki zakres testów oraz mamy możliwość walidacji obliczeń numerycznych z rzeczywistością na podstawie wbudowanej telemetrii, czyli ze wskazań czujników umieszczonych w bolidzie. Umożliwia nam to lepsze zrozumienie auta oraz łatwiejsze znalezienie najlepszej możliwej konfiguracji, a tym samym liczymy na walkę o podium w zawodach Formula Student.

 
Sercem bolidu jest spalinowy silnik z motocykla Honda CBR 600 RR.

– Zamontowaliśmy specjalnie zaprojektowane wałki rozrządu i dostosowaliśmy skrzynię biegów do naszych wymagań oraz torów, na których będziemy rywalizować a wprowadzenie nowego sterownika silnika umożliwiło nam więcej opcji strojenia i ciągłe monitorowanie parametrów auta – opowiada Szymon Wasilewski – koordynator Działu Silnik i Napęd, student VI sem. studiów I st. na kierunku automatyka i robotyka na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej.

Szereg zmian przeszedł układ chłodzenia. Studenci zastosowali jedną chłodnicę w sidepodzie, zaprojektowaną i zoptymalizowaną do pracy na najwyższych obrotach. Zainstalowali również wydajniejszą pompę wody, aby zwiększyć  końcową wydajność układu chłodzenia.

Układ smarowania został zaadaptowany do nowej geometrii i zoptymalizowany pod kątem uzyskania wyższego ciśnienia oleju.

– Zmniejszyliśmy jego masę, zachowując niezawodność – twierdzi Szymon Wasilewski. – Na podstawie badań zoptymalizowaliśmy zbiornik w celu uniknięcia kawitacji oleju. Układ dolotowy, podobny do poprzednich projektów, został zaprojektowany oraz wykonany w oparciu o obliczenia i badania przepływów, aby zapewnić równomierne napełnianie cylindrów. Dzięki technologii druku SLS uzyskane elementy są lekkie i wytrzymałe. 

Układ paliwowy zmniejszył pojemność z powodu pojawienia się baterii zasilającej układ hybrydowy. Zaprojektowaliśmy lżejszy zbiornik, aby podczas zakrętów uniknąć problemów z dostarczaniem paliwa do komory spalania. Zastosowana została również aluminiowa listwa paliwowa  lżejsza od seryjnej o ok. 65%. 

W konsultacji z działem zawieszenia postanowiliśmy przenieść zarówno tłumik jak i downpipe do sekcji bocznej bolidu, co wypłynęło na rozkład mas całego pojazdu. Zaprojektowaliśmy oraz wykonany został kolektor równoodległościowy o stosunkowo charakterystycznym kształcie, umożliwiającym umieszczenie go między silnikiem a tylną częścią konstrukcji nośnej. 

Zoptymalizowaliśmy układ napędowy, przenoszący moc i moment silnika na tylne koła. Po wielu testach dobraliśmy najlepsze ustawienia dyferencjału, dostosowane do techniki jazdy kierowców. Nowe wykonane przez nas półosie zmniejszają masę bolidu, zachowując jego wytrzymałość.

Oprócz napędu hybrydowego studenci opracowali nowy system łączności, który przyspieszy analizę danych z ponad 30 sensorów umieszczonych w bolidzie CMS-09.

– Członkowie działu elektroniki zajmujący się projektowaniem układów elektronicznych przygotowali komponenty, które będą sprawowały opiekę nad naszą baterią, która również jest naszym w pełni autorskim projektem – opowiada Kacper Stasiewicz – koordynator techniczny zespołu, koordynator działu elektroniki, jeden z kierowców , a także student I sem. studiów stacjonarnych II st.   na kierunku  automatyka i robotyka na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej. – Autorskim projektem jest również układ chłodzenia baterii, ponieważ umieszczenie ich za firewallem, tak zwaną zaporą ogniową, która oddziela kierowcy od niebezpiecznych źródeł, takich jak na przykład zbiornik paliwa bądź pakiet baterii, nie ma tam dostępu do świeżego powietrza. Dlatego zdecydowaliśmy się na wykonanie autorskiego chłodzenia cieczą tego pakietu baterii.  

W przypadku doboru sterowników i silników do napędu elektrycznego posłużyliśmy się wiedzą naszych starszych kolegów, naszych nauczycieli akademickich oraz zasięgnęliśmy wiedzy innych zespołów Formuły Student. Tak naprawdę społeczność Formuły Student to jedna wielka rodzina, w której wszyscy wzajemnie się wspierają i możemy od innych zespołów czerpać informacje.  Interdyscyplinarność tego projektu i to, jak wiele różnych dziedzin łączy,  jak wiele mamy zespołów w całej Formule Student pozwala realizować projekty, które na początku mogłyby się wydawać nie do końca łatwe, abyśmy mogli sami to wykonać. Dodatkowo zmieniliśmy pneumatyczny system zarządzania zmianą biegów na elektroniczny.  

Na pierwsze zawody pierwszy w historii Politechniki Białostockiej hybrydowy bolid CMS-09 klasy Formula Student wyruszy do Austrii. Początek zmagań na Red Bull Ring 21 lipca 2024 roku. Później studenci pojadą na torach na Węgrzech, w Czechach i w Polsce.

Studentów wspiera Województwo Podlaskie, w wyjazdach zagranicznych – Miasto Białystok.

(jd)