Design av hjuloppheng geometri til Formula Student bil

Abstract

ION Racing er i stor utvikling og bilen har de siste årene hatt store endringer. ION Racing har hatt overgang fra karbonfiber monocoque til stålramme og implementert aerodynamiske komponenter for å øke marktrykket under kjøring. Dette har resultert i at det nåværende hjulopphenget er utdatert. Samtidig planlegger ION Racing en overgang til fire-hjuls framdrift med ekstern motor og girkasse i hvert hjul. Dette er en omfattende oppgave som krever gjennomgang av flere systemer.

I denne bacheloroppgaven skal det utvikles et hjuloppheng som er oppdatert til stålramme og tilrettelagt for bruk av eksterne motorer. Denne oppgaven skrives i samarbeid med to andre oppgaver, en oppgave skriver om design av motor og girkasse til hjulene, og den andre skriver om design av ny spindel som kan holde disse motorene. Alle oppgavene skrives separat, men tar utgangspunkt i beregninger og dimensjoner funnet i de ulike oppgavene.

ION Racing konkurrerer i Formula Student, som er en ingeniørkonkurranse på tvers av universiteter og land. ION Racing er med på UK delen av konkurransen, som tar sted på Silverstone i England. Konkurransen stiller med et spesifikt sett av regler om hvilke designparametere bilen må forholde seg til for å bli godkjent for å delta i denne konkurransen. Dette inkluderer krav til sikkerhet og rettferdig konkurranse.

I denne oppgaven skal vi benytte metodikk fra Product Design and Development om innsamling av rådata, identifisering av behov, problem dekomponering, konseptutvikling og konseptvalg for hjulopphenget og tilhørende dempesystem. For optimalisering og utvikling av hjulopphengets geometri og kinematikk skal simuleringsprogrammet OptimumKinematics benyttes sammen med litteratur fra Race Car Design om hvordan å oppnå ønskelige egenskaper fra hjulopphenget. Det skal også gjøres fullstendig styrkeanalyse av alle komponenter med bruk av FEM i Ansys Mechanical APDL og Autodesk Inventor. Autodesk Inventor skal også benyttes for å 3D modellering og sammenstilling av hjulopphenget.

Fra arbeidet i denne bacheloroppgaven ble det utviklet dobbelt triangelarmt hjuloppheng med et push-rod dempesystem både fremme og bak. Fra konseptutviklingen ble det bestemt at hjulopphenget skulle ha konvergerende armer med ulik lengde, dette viste seg å være kritisk for å oppnå stabilitet i bilen og for å optimalisere balansen mellom grep i svinger versus på strekker. Ulik lengde på armene reduserer bevegelse av rullesenteret og konvergerende armer forhindrer uønskede hjulvinkling under sving.

Det største problemet med å introdusere motorer i hjulet var svingradiusen, dette problemet kan bli løst med ny styresnekke eller økt rotasjon av rattet. Selv om motorene bød på problemer for svingradiusen klarte vi å oppnå en svinradius under kravet satt. Det nye hjulopphenget har også gode bevegelsesforhold i dempesystemet, noe som gjorde at hjulopphenget ble stivere. Dette er veldig positivt da stivhetene var en av de svake punktene med det eldre hjulopphenget.

ION Racing is in great development and the car has undergone major changes in recent years. ION Racing has had a transition from a carbon fiber monocoque chassis to a steel frame and has implemented aerodynamic components to increase downforce while driving. This has resulted in the current suspension being out of date. At the same time, ION Racing is planning on transitioning to a four-wheel drive system with external motors and gearboxes in each wheel. This is a difficult task that requires redesign of several components.

In this bachelor's thesis, a suspension geometry will be developed which has been updated to a steel frame and adapted for the use of external motors. This thesis is written in collaboration with two other theses. One thesis writes about the design of the motor and gearbox for the wheels, and the other writes about the design of a new upright that can hold these motors. All theses are written separately, but are based on calculations and dimensions found in the various theses.

ION Racing competes in Formula Student, which is an engineering competition across universities and countries. ION Racing is participating in the UK part of the competition, which takes place at Silverstone in England. The competition provides a specific set of rules about which design parameters the car must comply with in order to be approved to participate in this competition. This includes requirements for safety and fair competition.

In this thesis, we will use methodology from Product Design and Development regarding the collection of raw data, identification of needs, problem decomposition, concept development and concept selection for the wheel suspension and associated damping system. For optimization and development of the suspension's geometry and kinematics, simulation from the program OptimumKinematics has been used together with literature from Race Car Design on how to achieve desirable characteristics from the suspension. A complete strength analysis of all components will be done using FEM in Ansys Mechanical APDL and Autodesk Inventor. Autodesk Inventor will also be used for 3D modeling and assembly of the suspension.

From the work in this bachelor's thesis, a double wishbone suspension with a push-rod damping system at both the front and rear was developed. From the concept development, it was decided that the suspension should have converging arms of different lengths. This proved to be critical for achieving stability in the car and for optimizing the balance between grip in corners versus on straights. Different lengths of the arms reduce movement of the roll center and converging arms prevent unwanted camber change during cornering.

The biggest problem with introducing motors in the wheel was the turning radius. This problem can be solved with a new steering rack or increased rotation of the steering wheel. Although the engines presented problems for the turning radius, we managed to achieve a turning radius below the requirement set. The new suspension also has a low motion ratio in the damping system, which made the suspension stiffer. This is very positive as the stiffness was one of the weak points with the older suspension.