Topology optimization and dimensioning of a subtractively manufactured Formula Student wheel assembly

Abstract

En av de største kildene til ytelsestap i racing er manglende stivhet i strukturelle komponenter. Manglende stivheter i hjulopphenget representerer avvik fra optimal posisjon og tap av lateral akselerasjon. Strukturelle deler må derfor dimensjoneres slik at de oppnår ønsket stivhet for å ivareta bilens funksjon. I et kraft-begrenset kjøretøy, slik som de regelbegrensede bilene i Formula Student, er lav masse også svært viktig. En formulering av dimensjoneringsmålene på en slik strukturell del bør derfor inneholde både masse og stivhet.

I denne oppgaven ble fire topologioptimaliserte, konvensjonelt maskinerbare Formula Student knokkelhus utviklet og produsert. Basert på organisasjonens mål, ble det etablert målsetninger om å treffe spesifikke stivhetsmål, redusere masse, og ha de ferdige komponentene på verkstedet 1. april. Stivheter ble validert ved FEM mellom -25 \% og +35 \% av målene, massen ble redusert med totalt 406 gram, og komponentene ble motatt andre uken i April.

Videre ble det foreslått et nytt hjulpaknings-konsept for å forsøke å rette opp i problemer som har oppstått i bremsesystemet. Endringene resulterte i en massereduksjon på 842 gram, en girboks-stivhet på 97 \% av dagens tall, og en potensiell løsning på bremseproblemene.

One of the main sources of performance loss in racing is component compliance. Compliance is the inverse of stiffness, and in a the suspension of a properly tuned race car, represents deviation from optimal position and a loss of lateral acceleration. Structural components therefore need to provide adequate stiffness to minimize performance loss. In a power limited car, such as the cars in Formula Student with a strict rule set, a low mass is also of the upmost importance. A formulation of the dimensioning objectives of such parts should therefore include both stiffness and mass.

In this thesis four topology optimized, subtractively manufactured Formula Student uprights were developed and manufactured. Based on the organizational goals, the aim was to establish specific stiffness goals, reduce mass, and have the finished product in-house by April 1st. Stiffness was validated by FEM within -26 \% to +35 \% of the targets, mass was reduced by 406 grams, and the components were in-house in the second week of April.

Furthermore, to improve braking related issues experienced with the current wheel assembly, an alternative concept was proposed. The changes resulted in a mass reduction on the car of 842 grams, a maintained gearbox stiffness of 97 \%, and a potential solution to the breaking issues.