柏努利著手研究人類血流與血壓的關係,發展出血壓量測的方法,並且進一步透過能量守恆的研究,因而發展出柏努利定律。也開創出流體力學的新頁,更奠定往後發展的基礎。基於上述的學習與啟發,所羅門燃料電池車隊在車型外觀上即考慮了空氣動力學對車輛阻力的影響,在設計上考慮了相關因素。
外型設計
根據空氣動力學的特性可知,低風阻與高流線型的設計對於競賽型車輛的重要性,因此本車針對此特性進行圖面建構與空氣動力學的分析。而為了使後續的車殼母模製作方便,在外型設計與圖面建構時,也將分模設計加入其中。
空氣動力學測試
為了設計出最佳化的風阻車型,將所設計的車型以計算流體力學計算其正向及側向風阻,已決定整體外型。此外,並將候選之車型,製成縮小比例之模型置入風洞中測試,用以驗證實際阻力係數。
車公模製作
首先將保麗龍切割成需要的形狀,然後再將每一部份組合起來。並進行公模的修補決定所需要的曲面。
車母模製作
公模修整完成後,根據圖面設計的分模線製作分模板,並依序鋪上玻璃纖維做積層,製作出車殼母模。最後,接續進行車殼製作。
車殼製作
車殼主體為碳纖維,其中材質的堅硬影響著車輛整體的強度,因此製作時搭配蜂巢板來增加強度,並利用真空封裝技術製作出符合輕量化的車殼。
阿克曼轉向幾何(Ackermann steering geometry )是一種為了解決交通工具轉彎時,內外轉向輪路徑指向的圓心不同的幾何學,這個想法被認為是Langensperger在1816所導出,但事實上這個想法是由Erasmus Darwin於1758∼59第一次提出,最後由Rudolph Ackermann修改後在1817於英國倫敦提出了專利,同樣的想法在1870也由法國的Bollée和Jeantaud 發展了出來。
依據阿克曼轉向幾何設計的車輛,沿著彎道轉彎時,利用四連桿的相等曲柄使內側輪的轉向角比外側輪大大約2~4度,使四個輪子路徑的圓心大致上交會於後軸的延長線上瞬時轉向中心,讓車輛可以順暢的轉彎。
車輛廂體設計
車體設計首重於剛性,避免車輛行進間因震動而造成車身扭曲,其次考量製作車體的材料,盡可能達成輕量化的目的,才能符合省能的理念。並將車體的圖面實體匯入人因工程,藉此規劃出符合人體工學的車輛箱體設計。
•廂體設計圖
•人因工程圖
轉向機構
轉向機構的設計對車輛的操縱性、安全性及方向性具有決定性的影響,因此須考慮操縱時的準確度與車輛直行、轉向的穩定性。為了使各車輪在轉向行進中與地面間保持純滾動接觸而無滑動的現象,在轉向機構方面選用阿克曼機構為設計參考。
•阿克曼轉向機構示意圖
本車採用前二輪轉向,後單輪驅動設計,前者設計雙連桿來控制轉向,後者則設計後搖臂來支承。至於材料選擇輕量化的材質以減輕重量,使轉向系統在操縱中具有輕巧且靈敏的性能,以達到省能的目的。
複材製成
依據人因工程分析與圖面建構的結果,進行車輛箱體製作,而對於車體的材料,採用能兼顧強度與不易變形,且易於本校實驗室進行的複合材料,作為車輛廂體。完成複合板材之後,再加以修裁至車體圖面上所規劃的尺寸。
五金加工
本車所需五金零件除可購買之規格品外,全部都是由團隊成員自行設計、製圖並加工完成。並且為了驗證是否設計優良,在加工前將零件圖實體匯入電腦軟體中,計算運作時可能受到的應力,以確保設計的零件具有所需的強度。
葛羅夫利用水電解的逆向操作,將浸在硫酸溶液中的一對白金電極接上負載後,氫氣與氧氣即可反應產生直流電流,因而發明燃料電池。本車隊使用燃料電池能源的裝置,並符合能穩定供應電力的能源做為理想載具之需求。
核心能力的追求發展兼具環保的新能源是目前世界的趨勢,而新能源之一的燃料電池具有低污染、低噪音、高效率、起動快、壽命長、適用範圍廣等諸多優點。所羅門車隊在研發輕量型載具之餘,也開始規劃進行燃料電池的設計與製造。下圖為本團隊製作電池碳板之情形與成品。
設置燃料電池量測平台
為使燃料電池搭載於燃料電池載具上,一開始先針對輕量化燃料電池載具動力進行評估,找尋符合使用的燃料電池。再利用量測設備進行燃料電池量測實驗,以了解燃料電池操作時的限制條件,以及不同操作參數下消耗之氫氣量,再根據所有實驗數據制定出輕量化燃料電池載具之最佳操作條件。
燃料電池治具
設計放置燃料電池、閥件及氫瓶整合的治具,並建構圖面模擬其裝配的相對位置與配置時的合理性,規劃車輛整體的動力系統整合。另外,為了能即時掌控燃料電池系統的相關資訊,對儀表與車體的尺寸,繪製出儀表板的圖形,再依據設計圖製作出儀表板置於載具上。
電力系統
電路系統搭配電子記錄器與顯示器,了解系統運作情況更能掌控駕駛行駛的操縱性。在此電力系統包含偵測壓力與自動上載與斷載功能,除了保護燃料電池使用氫氣壓力的範圍以外,更能減少車手在行駛比賽時的負擔。車殼內裝有緊急開關,當發生事故時,維修人員可立刻斷電以確保車手安全。
•本車電路系統規劃圖
•電子記錄器擷取動態測試數據,使我們了解並分析實際測車情況,以達至最佳控制策略。
為確保車手於車內駕駛之安全,首先於設計時加入車手視窗設計,模擬車手駕駛之最佳視角。車隊車手裝備有符合安全規格之安全帽、通過國際賽車聯盟FIA認證指定之專用賽車服,並於車內備有緊急滅火器、防滾龍設計,車體外部設置緊急斷電開關。
規格
項目 |
五號車 |
六號車 |
長(公分) |
230 |
290 |
寬(公分) |
85 |
75 |
高(公分) |
60 |
60 |
重量(公斤)* |
25 |
|
燃料電池(W) |
220 |
220 |
馬達 |
額定電壓 24V
最大輸出功率230W |
額定電壓 24V
最大輸出功率350W |
*不含氫瓶重量