Projekt systemu pakunkowo-transportowego przeznaczonego do lądowego transportu międzynarodowego

Praca dofinansowana w ramach programu konkursu Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 18.09.2020 r. „Studenckie koła naukowe tworzą innowacje” nr ID wniosku: SKN/SP/ 571678/2023.

Projekt realizowany pod opieką dr hab. Marka Liskiewicza (Pracownia Rozwoju Nowego Produktu), mgr Krzysztofa Hamigi (Pracownia Projektowania Ergonomicznego) przez zespół studentów: Krzysztofa Młynarczyka, Marię Oprych oraz Julię Klimowską. Konsultacje: mgr Klaudia Kasprzak, mgr Janusz Seweryn. Obliczenia wytrzymałości wykonał dr Władysław Hamiga. 
Dziękujemy dr Danielowi Prusakowi opiekunowi AGH Racing Team za współpracę przy realizacji zadania.

AGH Racing Team  to interdyscyplinarna grupa studentów Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, działająca nieprzerwanie od 2012 roku. Zespół projektuje, buduje i rozwija bolidy wyścigowe, startując w międzynarodowych zawodach inżynierskich Formula Student, rozgrywanych na prestiżowych torach Europy (m.in. Hungaroring, Assen, Red Bull Ring, Barcelona).

Zespół regularnie odnosi sukcesy – w sezonie 2023 zdobył nagrody, m.in.:

• FS Easter: 3. miejsce – Acceleration, Endurance, Efficiency;
• FS Czech Republic: 2. miejsce – Autocross, SkidPad;
• FS Austria: 3. miejsce – Efficiency;
• FS Alpe Adria: 5. miejsce – Acceleration.

W kolejnych sezonach AGH Racing Team planuje udział w wielu międzynarodowych zawodach FS, co wiąże się z dużym wyzwaniem logistycznym – koniecznością bezpiecznego, ekonomicznego i szybkiego transportu bolidów, osprzętu techniczno-socjalnego. Skala przedsięwzięcia – wielokrotny załadunek, rozładunek, przejazdy przez kilka krajów – wymaga specjalistycznego rozwiązania pakunkowo-transportowego.

AGH Racing Team zwrócił się z propozycją współpracy do Wydziału Form Przemysłowych  Akademii Sztuk Pięknych im. Jana Matejki w Krakowie, jednostki kształcącej projektantów wzornictwa, posiadającej kompetencje przydatne akurat w tym przypadku, jak: doświadczenie w pracy zespołowej, ergonomii, projektowaniu systemów transportowych oraz opracowywaniu układów funkcjonalnych. Jednostki te podjęły temat, tworząc interdyscyplinarny zespół projektowy. Projekt otrzymał grant¹.

• opracowanie modularnego systemu pakunkowego, ułatwiającego załadunek i rozładunek,
• uwzględnienie środków transportu lądowego – samochody dostawcze
,
• przygotowanie materiałów graficznych uzupełniających projekt zgodnie z brandingiem AGH Racing Team.

Projekt ma charakter wdrożeniowy i interdyscyplinarny – łączy inżynierię, ergonomię, wzornictwo i logistykę.
Jego realizacja ma przyczynić się do:

• usprawnienia logistyki wyjazdów,
• lepszego zabezpieczenia sprzętu,
• sprawniejszej organizacji uczestnictwa AGH Racing Team w zawodach międzynarodowych.

Pomysł zaprojektowania modułowego systemu transportowego zrodził się z realnych potrzeb wynikających ze specyfiki zawodów, w których uczestniczy AGH Racing Team. 
W toku analiz, rozmów z członkami zespołu oraz wspólnego wyjazdu na zawody, okazało się, że dostępne komercyjnie skrzynie, systemy magazynowania ani rozwiązania logistyczne nie odpowiadają ich potrzebom.

Transport sprzętu, narzędzi, zaplecza gastronomicznego oraz bagażu osobistego wymagał każdorazowo kilkunastu godzin pracy i zaangażowania dużej liczby osób. Efektem pakowania zawsze był przypadkowy układ wszystkich elementów, w razie potrzeby trudnych do odszukania. Projekt otworzył ścieżkę do rozwiązania tych problemów w sposób systemowy i ergonomiczny.

ETAP I – Zbieranie informacji

• zapoznanie się z zespołem AGH Racing Team, jego strukturą organizacyjną i specyfiką działania;
• pozyskanie informacji o problemach występujących podczas organizacji wyjazdów (wywiady, dokumentacja fotograficzna);
• inwentaryzacja środków transportu, sprzętu oraz narzędzi wykorzystywanych w trakcie zawodów;
• przegląd dostępnych na rynku rozwiązań technicznych i funkcjonalnych;
• udział w wyjeździe na zawody wraz z zespołem – obserwacja rzeczywistych sposobów pakowania i logistyk.

ETAP II – Analiza zebranych informacji

• analiza zgromadzonych materiałów (zdjęć, notatek, wywiadów);
• przygotowanie scenariusza użytkowego typowego wyjazdu na zawody Formula Student;
• określenie pełnego zestawu przedmiotów niezbędnych do funkcjonowania zespołu podczas zawodów;
• zdefiniowanie najistotniejszych problemów projektowych na podstawie scenariuszy i obserwacji.

ETAP III – Założenia projektowe

• formułowanie problemu projektowego;
• określenie możliwych kierunków rozwiązań technicznych;
• dobór materiałów odpowiednich dla projektowanych komponentów;
• przygotowanie moodboardu ilustrującego estetykę, funkcjonalność i kontekst wizualny rozwiązania.

ETAP IV – Projekt koncepcyjny

• opracowanie szkiców koncepcyjnych poszczególnych rozwiązań;
• generowanie koncepcji w programach parametrycznych 3D;
• ocena ergonomiczna w oparciu o założenia projektowe – z wykorzystaniem modeli redukcyjnych (skala 1:5);
• analiza wyników, wybór najlepiej koncepcji;
• sformułowanie wytycznych do kolejnego etapu procesu projektowego.

Projekt rozpoczął się od analizy rzeczywistych problemów logistycznych, z jakimi borykają się zespoły studenckie biorące udział w zawodach inżynierskich. Ze względu na organizację zawodów w konkretnych terminach, pierwsze obserwacje obejmowały wywiady z uczestnikami koła oraz zapoznanie się z materiałami fotograficznymi. Kluczowe problemy zidentyfikowane w tej fazie projektu obejmowały:

• bardzo duży nakład pracy ludzkiej – niewłaściwe rozmieszczenie ładunku lub przypadkowe upuszczenie bolidu wiąże się z poważnymi uszkodzeniami pojazdu i realnym niebezpieczeństwem dla całej załogi;
• poświęcenie znacznej ilości czasu (nawet 10 godzin) na proces pakowania;
• niewielka możliwość organizacji zaplecza socjalnego;
• brak klarownej organizacji załadunku co wiąże się z poszukiwaniem optymalnego układu rozmieszczenia sprzętu z każdym pakowaniem;
• dysponowanie co najmniej dwoma samochodami przeznaczonymi do transportu zaplecza socjalnego i warsztatowego w sposób niezależny.

Takie kompleksowe podejście do analizy problemu umożliwiło określenie wymagań, które nowy system musiałby spełniać. Ważnym etapem było opracowanie szczegółowych założeń projektowych. Jednym z kluczowych wymagań było ograniczenie liczby zaangażowanych w rozładunek osób – w założeniu, cały system powinien być obsługiwany przez dwie osoby w czasie jednej godziny. Moduły muszą być lekkie, stabilne i łatwe w manewrowaniu, nawet w trudnych warunkach terenowych. Ze względu na regularną rotację uczestników w obrębie zespołu, rozwiązania powinny być proste w obsłudze tak, aby nowi członkowie nie mieli trudności w ich opanowaniu. Równie istotna była multifunkcyjność systemu. System ma nie tylko usprawniać transport – jego zadaniem jest również ułatwienie pracy na miejscu zawodów. Po rozpakowaniu skrzynie mają przekształcać się w funkcjonalne elementy infrastruktury: stoły warsztatowe, moduły kuchenne, stanowiska techniczne. W zależności od potrzeb i sytuacji na miejscu. Obiekty te powinny być łatwe w aranżacji.

W trakcie procesu poszukiwania rozwiązań niezwykle istotne okazało się modelowanie w skali. Aby lepiej uzmysłowić sobie przestrzeń, w której operowali studenci i usprawnić generowanie koncepcji, powstał model w skali 1:5 samochodu dostawczego Citroën Jumper.

Zwymiarowanie całego zaplecza pozwoliło na wykonanie odpowiednio pomniejszonych modeli, służących do sprawdzania różnych układów pod kątem ich funkcjonalności. Fizyczne modelowanie znacznie lepiej i szybciej uzmysłowiło braki w koncepcjach.

Modelowanie w skali zakończyło się opracowaniem trzech koncepcji dla zaplecza warsztatowego.:

1. Pierwsza koncepcja zakładała opracowanie systemu wysuwanych szuflad dla przechowywania narzędzi. Nad szufladami, na wysuwanych rampach mieściłby się bolid odseparowany od skrzyń.
2. W ramach drugiej koncepcji skrzynie miały być transportowane w dwóch, długich kasetach, na których spoczywałby bolid. Wysunięcie kaset tworzy rampę, po której wjeżdżał i wyjeżdżałby bolid.
3. Trzecia koncepcja przewidywała szereg mniejszych kaset o identycznych wymiarach do przechowywania skrzyń z narzędziami. Bolid spoczywałbym na wierzchu kaset. Wyładunek odbywałby się z pomocą wysuwanego dźwigu, podwieszonego na suwnicy przymocowanej do ramy konstrukcyjnej zintegrowanej z samochodem dostawczym.

Zaplecze socjalne nie wymagało zaawansowanego systemu wyładunku, w związku z czym proces poszukiwań rozwiązań skupiony był wokół bezpieczeństwa transportu i przechowywania.

Wszystkie koncepcje zostały zweryfikowane w ramach obserwacji wykonanych na zawodach Formula Student Czech Republic 2023. Wyjazd wiązał się z tygodniowym pobytem na miejscu trwania zawodów i funkcjonowanie wraz z zespołem w obrębie pola namiotowego a także stanowiska serwisowego tzw. pitlane. Niezwykle cennym doświadczeniem okazała się obserwacja studentów w trakcie prac nad bolidem. Obcowanie z problemami, które dotykają zespoły w trakcie wyjazdu otworzyło zupełnie nowe perspektywy, niemożliwe do przewidzenia wcześniej.

Po analizie przeprowadzonych obserwacji i wyciągnięciu wniosków wybrana została trzecia koncepcja, polegająca na zamontowaniu w samochodzie dźwigu na suwnicy oraz modułowych jednostek transportowych. Zarówno bolid jak i pojemniki transportowe mogą być wstawiane przez dźwig na suwnicy do ładowni pojazdu.

Największą przewagą okazała się elastyczność tego rozwiązania. Mniejsze jednostki transportowe umożliwiają łatwą modyfikację przestrzeni, a wysuwane ramię pozwala szybko i bez wysiłku wypakować bolid. Dzięki temu organizacja wyładunku i załadunku przestaje być chaosem – jest sprawna i precyzyjna.

W przypadku zaplecza socjalnego zaproponowane zostały jednostki transportowe o mniejszych wymiarach, które, ze względu na swoją masę, mogły być wypakowane bez większego trudu przez dwie osoby. Jako usprawnienie na czas transportu zaproponowano stelaże ze specjalnymi gniazdami umieszczonymi po obu burtach samochodu dostawczego.

Jednostki byłyby dodatkowo zabezpieczone pasami transportowymi. Dzięki temu całe zaplecze socjalne zyskuje uporządkowany i co najważniejsze bezpieczny system do przewozu całego sprzętu.

Realizacja docelowego rozwiązania rozpoczęła się od wykonania drewnianych modeli skrzyń i ramy paki w skali 1:1. Modelowanie w rzeczywistej skali pozwoliło na doprecyzowanie ostatecznych wymiarów skrzyń i suwnicy. Wszystkie wymiary musiały być w optymalny sposób dopasowane do przestrzeni ładunkowej samochodu, a jednocześnie zajmować jak najmniej miejsca. Prócz określenia wymiarów, dużym wyzwaniem okazało się znalezienie odpowiedniego mechanizmu obsługi suwnicy. Liczne próby i konsultacje zaowocowały półautomatycznym systemem linek i pasów łańcuchowych uruchamianych typowym silnikiem wyciągarki elektrycznej.

Równolegle do modelu fizycznego powstawał model w środowisku cyfrowym w programie 3D Solid Works. Wszystkie koncepcje były wstępnie weryfikowane pod kątem wymiarów w modelu obejmującym przestrzeń ładowni pojazdu w kontekście gabarytów modelu bolidu i skrzyń ładunkowych. Model cyfrowy posłużył również do analiz wytrzymałościowych proponowanych rozwiązań. Przedmiotem prowadzonych obliczeń była analiza wytrzymałościowa konstrukcji suwnicy w pozycji całkowicie rozłożonej z uwzględnieniem masy bolidu klasy FSAE. Suwnica była zamocowana przy pomocy wsporników i podpór w części ładunkowej samochodu dostawczego. Schematycznie konstrukcję suwnicy oznaczono kolorem fioletowym (Il. 6). Do głównych elementów suwnicy należą dwa zestawy belek. Zewnętrzne belki suwnicy zostały zamocowane na stałe w części ładunkowej, natomiast wewnętrzne belki suwnicy mają możliwość ruchu. Zestawy belek są ze sobą zintegrowane przy pomocy ramy poruszającej się wewnątrz pojazdu. Do ruchomej części suwnicy przymocowany jest element dźwigu. Zarówno lina jak i ruchoma rama, napędzane są wyciągarką sterowaną pilotem.

Choć projekt ma wymierne rezultaty, jako gotowe urządzenia techniczne – nie mniej ważne są wartości niematerialne. Praca nad systemem rozwinęła kompetencje miękkie i twarde, poszerzyła doświadczenia prowadzenia projektu w zespołach interdyscyplinarnych, rozwinęła kreatywność, wdrożyła techniki design thinking. Uczestnicy projektu zyskali doświadczenie projektowe i inżynierskie, które stanowi bezcenne przygotowanie do pracy zawodowej w branżach kreatywnych, technicznych, technologicznych i logistycznych.

Kolejnym krokiem będzie testowanie systemu w realnych warunkach podczas zawodów międzynarodowych. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, projekt może stanowić inspirację dla innych kół naukowych, firm logistycznych, organizacji non-profit, a nawet służb ratunkowych.

—
Projekt realizowany w ramach Koła Naukowego studentów Wydziału Form Przemysłowych krakowskiej ASP w Pracowni Projektowania Ergonomicznego  oraz Pracowni Rozwoju Nowego Produktu .

1.  Projekt został zgłoszony do ogólnopolskiego konkursu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego „Studenckie koła naukowe tworzą innowacje” (zarządzenie z dnia 18.09.2020), w ramach którego otrzymał dotację – ID wniosku: SKN/SP/571678/2023