Diseño de la suspensión delantera de un Formula Student

Abstract

Resumen (castellano): La Fórmula 1 es la meca del automovilismo, y la Formula Student, la principal competición automovilística de estudiantes. La primera está rígidamente regulada por la Federación Internacional de Automovilismo, mientras que la segunda permite el desarrollo de innovadoras soluciones sin apenas restricciones. Por ello, en este proyecto se presenta el camino para el diseño de una suspensión ideada para una competición estudiantil, basándose en los diseños empleados en la Fórmula 1 actual. Pero antes de llegar a un tipo de geometría y elementos concretos, se comienza estudiando todas las tipologías de suspensiones convencionales y de competición, con el fin de entender mejor el desarrollo de estos sistemas y su evolución con el paso del tiempo hasta llegar a la situación actual. Tras este análisis previo, se decide que la suspensión de doble trapecio es la más adecuada para un monoplaza, gracias a las posibilidades que ofrece en cuanto a modificaciones. Y empleará la misma configuración que un Fórmula 1, a excepción de algunas modificaciones que son consecuencia de la diferencia en las características en ambos tipos de monoplaza. A continuación, se muestran algunas de las características principales del monoplaza para el que se diseña este sistema: • Recorrido de la suspensión en bote y rebote: 25,4 mm (especificado en la normativa Formula Student) • Roll Angle (ángulo de balanceo del monoplaza): 1,5º, valor típico para este tipo de monoplazas • Recorrido de la dirección: 25 mm, valor típico para este tipo de monoplazas • Batalla: 1530 mm, valor reducido, pues los circuitos son de rectas cortas y curvas cerradas • Vía: 1220 mm, valor elevado para reducir la altura del centro de gravedad • Masas: suspendida en vacío 170 kg, piloto 70 kg, no suspendida 40 kg, carga aerodinámica 60 kg • Altura de los centros de gravedad: 270 mm en la masa suspendida, valor recomendado en este tipo de monoplazas, y 264,8 mm en la masa total • Tamaño de los neumáticos: 10 pulgadas • Repartos: de pesos 42,95 % en el eje delantero, 60 % de frenada en el eje delantero y 80 % de frenada en el eje delantero para el caso crítico de los test de frenada. Ambos parámetros son ajustables mediante reglajes Con las características del monoplaza fijadas en base a datos reales y normativa, se estudia el alcance del proyecto, en el que se dimensionarán todos los tubos que componen la suspensión, incluyendo el push rod, tie rod, trapecios completos y rocker (todas las piezas en acero S355 por su alta resistencia). Además, también se escogerá el amortiguador más adecuado y se calcularán los datos necesarios para la fabricación de un resorte a torsión que se utilizará como elemento elástico. Por lo tanto, no se dimensionan uniones entre elementos (tornillería y soldadura). Una vez fijadas todas las condiciones previas, se realiza un análisis cinemático mediante el software Lotus Suspension Analysis, en el que se obtiene la geometría de la suspensión en base al comportamiento del vehículo buscado. Tras obtener unos resultados adecuados, con todos los parámetros dentro los límites establecidos, entre los que destacan los valores del cambio del ángulo de ataque y de caída de las ruedas (con pequeñas variaciones), así como la altura del centro de balanceo (siempre por encima del suelo), se da por concluida esta etapa y se plantea la siguiente, el análisis dinámico. El siguiente análisis consiste en llevar a cabo distintas simulaciones de situaciones reales a las que se someterá el monoplaza para obtener las reacciones que tendrá que soportar cada elemento, para dimensionar en base a ellos. Para ello, se utiliza en software Adams Car, especializado en la simulación de vehículos, y capaz de replicar todas las características del vehículo y su entorno con gran exactitud. A falta de tener datos de un monoplaza real, se utiliza un modelo facilitado por la empresa desarrolladora del programa, MSC Software, adecuándolo a las características de diseño mencionadas. Dicho modelo presenta algunas limitaciones que han afectado a algunos elementos del diseño, como la necesidad de fabricar un resorte a torsión que permita grandes deformaciones. Aún así, los resultados obtenidos son correctos, y se han obtenido mediante la simulación de las siguientes situaciones: • Test de frenada con un reparto de pesos del 80% en el eje delantero • Giro de radio constante • Simulación de varios tipos de frenada alrededor de un circuito real de Formula Student para estudiar el comportamiento de la suspensión a fatiga Una vez se han obtenido todos los esfuerzos, se dimensionan todos y cada uno de los elementos mostrados en el alcance, mediante el método de elementos finitos en Ansys Workbench (y cálculos a mano si es posible), mayorando las cargas con un coeficiente de seguridad de 1,2 y minorando el límite a fatiga del material mediante coeficientes modificativos obteniendo los siguientes resultados: • Trapecio inferior: con tubo de diámetro exterior de 10 mm y espesor 1 mm, poco margen de optimización • Trapecio superior: con tubo de diámetro exterior de 12 mm y espesor de 1 mm, también optimizado • Tie rod y push rod: emplean el mismo tubo que en el trapecio inferior, para aprovechar el material, y cuentan con un gran margen de seguridad • Rocker y eje del rocker: el rocker se ha diseñado con un gran vaciado central (que podría seguir optimizándose en algunas zonas), mientras que el eje se ha dimensionado con cierto margen de seguridad, ya que no se pueden determinar las características de la unión con el resorte de torsión • Resorte de torsión: se calculan los datos necesarios para su fabricación, a partir del giro que soportará Por último, se plantean los posibles próximos pasos de mejora del sistema, entre los que destacan aprovechar al completo las posibilidades que ofrece Adams Car (con más simulaciones de condiciones reales) y la sustitución futura del material de algunos de los elementos, fabricados en acero S355, por fibra de carbono, además de calcular todas las soldaduras, uniones, y llevar a cabo los ensayos reales necesarios para terminar de validar el sistema.

Laburpena (euskara): 1 Formula automobilismoaren gunea da, eta Formula Student, ikasle auto lehiaketa nagusia. Lehengoa Automobilismo Internazionalaren Federazioa eraentzen du, eta bitartean, bigarrena ia murrizketa gabeko soluzio berritzaileen garapena baimentzen du. Arrazoi honengatik, proiektu honetan ikasle-lehiaketa batentzako esekiduraren diseinurako bidea aurkezten da, gaur egungo 1 Formulan erabilitako diseinuetan oinarrituta. Baina geometria mota eta elementu zehatz batzuetara ailegatu baino lehen, konpetizio eta ohiko esekidura tipologia guztiak aztertzen hasten da, sistema auhen garapena eta eboluzioa denboran zehar gaur egungo egoerara iritsi arte hobeto ulertzeko mugarekin. Aurretiko azterketa honen ondoren, trapezio bikoitzeko esekidura monoplaza batentzako hobeto moldatzen dena erabakitzen da, aldaketen alde eskaintzen dituen posibilitateei esker. Eta 1 Formula baten konfigurazioa erabiliko du, bi monoplaza moten ezaugarrien desberdintasunen ondorio diren aldaketa batzuk izan ezik. Jarraian, sistema hau erabiliko duen monoplazaren ezaugarri nagusiak azaltzen dira: • Esekiduraren ibiltartea botean eta re-botean: 25,4 mm (Formula Student-en arauetan zehaztuta) • Roll Angle (monoplazaren kulunka angelua): 1,5º, monoplaza hauentzako ohiko balioa • Direkzioaren ibiltartea: 25 mm, monoplaza hauentzako ohiko balioa • Bataila: 1530 mm, balio txikia, zirkuitoak zuzen motzak eta kurba itxiak dituztelako • Bidea: 1220 mm, balio handia grabitate zentroaren garaiera murrizteko • Masak: esekituta 170 kg, gidaria 70 kg, ez-esekituta 40 kg, karga aerodinamikoa 60 kg • Grabitate zentroen garaiera: 270 mm masa ez-esekituan, monoplaza hauentzako gomendaturiko balioa, eta 264,8 mm masa osoan • Pneumatikoen tamaina: 10 pulgada • Banaketak: pisua, 42,95 % aurretiko ardatzean; balaztatzea, 60 % aurretiko ardatzean eta 80 % aurretiko ardatzean balaztatze test-arako. Bi parametroak aldatu daitezke doikuntzen bidez Monoplazaren ezaugarriak benetako arau eta datuetan oinarrituz, proiektuaren norainokoa aztertzen da: esekiduraren tubo guztiak diseinatu dira, hau da, push rod-a, tie rod-a, trapezioak eta rocker-a (pieza guztiak altzairu S355 erabiliz, bere erresistentzia handiari esker). Gainera, motelgailu hoberena ere hautatuko da, eta elementu elastiko bezala erabiliko den tortsio malguki bat fabrikatzeko behar diren datuak kalkulatuko dira. Orduan, ez dira elementuen bitarteko loturak diseinatuko (soldadurak eta torlojugintza). Behin aurretiko baldintza guztiak finkatuta, analisi zinematiko bat egiten da Lotus Suspension Analysis software-arekin, ibilgailuaren bilaturiko jokaeran oinarrituta esekiduraren geometria lortzeko. Emaitza egokiak lortu ondoren, parametro guztiak ezarritako limiteen artean (gurpilen eraso eta erori angeluak bariazio txikiekin eta monoplazaren kulunka zentroa beti lurraren gainean), etapa hau bukatutzat ematen da eta hurrengoa planteatzen da, analisi dinamikoa. Ondorengo analisian egiazko egoerak simulatzen dira esekiduraren elementuen erreakzioak lortzeko eta haietan oinarrituta elementu bakoitza diseinatzeko. Arrazoi honengatik, etapa honetan Adams Car software-a erabiliko da, ibilgailuen simulazioetan espezializatuta, eta kotxearen ezaugarri guztiak eta ingurua zehaztasun handiarekin erreplikatzeko gai baita. Baina, monoplaza guzti baten datuak ez daudenez, ondorioz, MSC Software enpresak (Adams Car-en garatzailea) errazturiko modelo bat erabiltzen da, ezaugarrik batzuk aldatuz diseinutako kotxearen sistemari moldatzeko. Hala ere, modelo hau diseinuaren elementu batzuei eragin dioten eragozpen batzuk dauzka, adibidez, deformazio handiak baimentzen dituen tortsio malguki bat fabrikatzeko beharra. Dena den, emaitzak positiboak izan dira eta ondorengo simulazioetan oinarrituta lortu dira: • Balaztatze testa aurretiko ardatzean 80 % balaztatze banaketarekin • Erradio konstanteko biraketa • Balaztatze ezberdin batzuen simulazioa, Formula Student-ko egiazko zirkuitu baten aldera, esekiduraren neke portaera aztertzeko Esfortzu guztiak lortu ondoren, norainoan adierazitako elementu guztiak diseinatzen dira, elementu finituen metodoarekin Ansys Workbench-n (eta eskuko kalkuluekin, ahal denean) kargak 1,2-ko segurtasun koefiziente batekin handituz eta materialaren neke limitearen balioa koefiziente aldatzaileen bidez txikituz. Segidan, lortutako emaitzak aurkezten dira: • Beheko trapezioa: 10 mm-ko kanpoko diametroarekin eta 1 mm-ko lodierarekin, optimizaziorako alde txikiarekin • Goiko trapezioa: 12 mm-ko kanpoko diametroarekin eta 1 mm-ko lodierarekin, optimizaziorako alde txikiarekin • Tie rod-a eta push rod-a: beheko trapezioko tubo berdina erabiltzen dute, materiala aprobetxatzeko, eta optimizaziorako alde handia dute • Rocker eta rocker-aren ardatza: alde batetik, rocker-a erdian hustuketa handi batekin diseinatu da (eta gune batzuetan optimizatu daiteke). Bestetik, ardatza segurtasun alde handi batekin diseinatu da, tortsio malgukiarekin daukan loturaren ezaugarriak ezin direlako zehaztu • Tortsio malgukia: fabrikatzeko behar diren datu guztiak kalkulatzen dira, jasango duen biraketan oinarrituz Amaitzeko, sistema hobetzeko eman ahal diren pausuak aurkezten dira, eta haien artean hurrengoak nabarmentzen dira: Adams Car-en posibilitate guztiak aprobetxatu (egiazko kondizioetan oinarritutako simulazio gehiagoekin), elementu batzuen materiala aldatzea (karbono-zuntza altzairuaren ordez), soldadura eta lotura guztiak kalkulatzea eta sistemaren balidazioarekin amaitzeko behar diren saiakuntza guztiak egitea.

Summary (English): Formula 1 is the pick of automobilism, and Formula Student, the principal students’ motorsport competition. The first one is rigidly ruled by the International Automobilism Federation, while the second one allows the development of innovative solutions with almost no restrictions. For this reason, in this thesis it is presented the path for the design of a suspension focussed on a students’ competition, based on the designs used in current Formula 1. But before arriving to a certain geometry and elements, this thesis starts studying all the common and competition suspension typologies, with the aim of understanding the development of these systems in a better way and its evolution along the time until arriving to the current situation. After this previous analysis, it is decided that the double wishbone suspension is the most suitable one for a single seater, thanks to all the possibilities that it offers referring to modifications. And it will use the same configuration as a Formula 1, excepting some modifications which are consequence of the difference between both type of vehicle. Hereunder, some of the main features of the single seater for which this system has been designed are shown: • Suspension travel in bound and rebound: 25.4 mm (specified in Formula Student’s rules) • Roll angle: 1.5º, typical value for this type of single seaters • Steering travel: 25 mm, typical value for this type of single seaters • Wheelbase: 1530 mm, low value, as circuits have short straights and closed corners • Track: 1220 mm, high value to reduce centre of gravity’s height • Mass: sprung 170 kg, driver 70 kg, unsprung 40 kg, aerodynamic load 60 kg • Height of centres of gravity: 270 mm in sprung mass, recommended value for these type of vehicles, and 264.8 mm for the whole mass • Tyre size: 10 inches • Weight balance: 42.95 % in the front axis, adjustable with setups • Brake balance: 60 % in the front axis, 80 % for the brake test, adjustable with setups Once the vehicle’s features have been set, based on real data and rules, the scope of the project is studied, where all the tubes that include the suspension will be designed, including the tie rod, push rod, whole wishbones and rocker (all the elements with S355 steel, due to its high strength). Apart from that, it will be chosen the most suitable damper for the vehicle, and all the data needed for the manufacturing of a torsion spring (used as an elastic element) will be calculated. Therefore, the links between all the elements will not be designed (bolted and welded connections). After setting all the initial conditions, a kinematic analysis is run by using Lotus Suspension Analysis software, where the geometry of the suspension is obtained based on the handling of the vehicle that is wanted to be achieved. Once adequate results have been obtained, with all the parameters inside the stablished boundaries, emphasising the changes in camber and toe angles (with low variations), and roll centre’s height (always above the ground), this stage is concluded and it can be started with the following one, the dynamic analysis. The next analysis consists on running different simulations based on real situations that the vehicle will have to face, with the aim of obtaining the reactions that will suffer each element and dimension them. For this purpose, the Adams Car software will be used, as it is specialized on vehicle’s simulations and can recreate all the single seater’s and surroundings features with great accuracy. But, as this project lacks of the data of a whole real car, a model provided by the company in charge of the development of the software, MSC Software, is used, adapting it to the design features that have been mentioned. This model shows some limitations that have affected to some elements from the design, like the need of producing a torsion spring that can deal with big deformations. Even tough, the results obtained are correct and have been obtained by running the following simulations: • Brake test with a brake balance of an 80 % in the front axis • Constant radius turning • Simulation of different types of braking around a real Formula Student circuit, with the aim of studying the behaviour of the suspension against fatigue Once all the forces have been calculated, all the elements mentioned in the scope are designed, using the finite element method in Ansys Workbench (and manual calculus when possible), by increasing loads with a safety factor of 1.2 and reducing the material’s fatigue limit with modifying coefficients. The results achieved are as follows: • Lower wishbone: tube with an outer diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm, with low range for optimization • Upper wishbone: tube with an outer diameter of 12 mm and a thickness of 1 mm, also optimized • Tie rod and push rod: they use the same tube as the lower wishbone, to seize material, and have a great safety factor • Rocker and rocker-axis: the rocker has been designed with a big central hole (which could still be optimized in some zones), while the rocker-axis has been designed with a specific safety factor, since the features of the link with the torsion spring cannot be determined • Torsion spring: all the data needed for its manufacturing is calculated, based on the twist that will support Finally, the possible next updates of the suspension are presented, among the ones spotlight seizing completely all the possibilities that Adams Car offers (with more real-situation-based simulations) and the future replacement of the material of some of the elements, changing S355 steel with carbon fibre, apart from calculating all the welding, links and accomplishing all the tests needed to end with the validation of the system.