Design of Topology Optimized Titanium Brake Calipers for racing application

Abstract

Bremsesystemet til en Formula Student racerbil krever høy motstand mot varme og dynamiske belastninger. Bremsekaliperen, som består av to eller flere bremseklosser, påfører en friksjonskraft på bremseskiven for å stoppe kjøretøyet i henhold til hvor hardt føreren trykker på pedalen. Våre konkurrenter i Formula Student kjøper ofte kommersielle enheter fra eksterne leverandører, og tilpasser sine egne designs etter disse. Det betyr at man ofte må inngå kompromisser i form av økt vekt, utfordringer med implementering og generell funksjon av systemet. Hensikten med denne oppgaven er å designe et bremsesystem for Revolve NTNUs 2020 Formula Student bil, med redusert systemvekt og lignende eller forbedret ytelse. Belastningene på bremsekaliperen vil være basert på en kombinasjon av forenklede kjøretøymodeller, beregninger og livedata fra Revolve NTNUs egne monitorsoftware program, Revolve Analyze. Kaliperen er designet for en kombinert produksjon av additive og tradisjonelle produksjonsmetoder, modellert etter topologioptimalisert geometri hentet fra TOSCA. Abaqus/CAE ble brukt for validering av det endelige designet. Simuleringene vil deretter bli sammenlignet med testresultater fra mekanisk testing og validert på kjøretøyet under testing. På grunn av redesignet av bremsene, har den unsprung massen fra suspensjonen blitt redusert med over 50% og redusert volumet fra tykkelsen med 44% sammenlignet med kommersielle bremser. Det er også spart opp mot 10% total vekt fra bremsekaliperene i 2019.

The braking system of a Formula Student race car requires high resistance to heat and dynamic loads. The brake caliper, which consists of two or more brake pads, applies a friction force to the brake disc to stop the vehicle according to the drivers input on the pedals. Our formula student competitors often buy commercial units from external suppliers, adapting designs from other racing disciplines. Consequently, you accept compromises such as added weight like unsprung mass, challenges with integration and overall function. The purpose of this thesis is to design a braking system for Revolve NTNU’s 2020 formula student race car, reducing overall system weight and volume, with similar or improved performance. The load case for the brake caliper will be based on a combination of simplified vehicle models, calculations and live data seen through Revolve NTNU’s own data monitoring software, Revolve Analyze. The caliper is designed with additive and traditional manufacturing methods in mind, modelling around results from topology optimization in TOSCA. For verification of the final design, Abaqus/CAE was used. The simulations would then be compared to test results from mechanical testing and validated on the vehicle in a racing situation. Because of the redesign of the calipers, unsprung mass from the suspension have been reduced by over 50% and reduced volume from the caliper by 44% compared to commercial caliper. Saved almost 10 percent in total weight compared to 2019 brake calipers