Laboratorio progettuale di disegno assistito dal calcolatore - A.A. 2009/2010
Progettazione braccetti sospensione di una Formula SAE
Analisi preliminare
Il primo passo da compiere è sicuramente trovare con buona approssimazione le forze agenti sulla sospensione e sull'intero gruppo ruota. A tal proposito abbiamo adottato il modello a "quarto di veicolo", particolarmente indicato ai nostri scopi considerata una distribuzione dei pesi molto vicina a 50/50 e, di conseguenza, uno stato di sforzo analogo tra ruota anteriore e posteriore. Il modello utilizzato vale sotto determinate ipotesi: il veicolo è in condizioni stazionarie, velocità e accelerazioni sono costanti e non vi sono irregolarità dal manto stradale; inoltre il telaio della vettura è considerato rigido, ovvero indeformabile.
Geometria della sospensione anteriore
Per stimare le forze agenti sulla sospensione utilizziamo carichi derivanti da un'approssimazione coulombiana del modello di contatto ruota-via, con coefficiente di aderenza considerato pari a 1,2. Per ottenere il valore limite delle forze in direzione verticale (Fz) dobbiamo sommare la componente di trasferimento di carico valutata con una accelerazione di 1,3 g (legata alla rigidezza delle molle e, più in dettaglio, allo smorzamento degli ammortizzatori) alle forze in caso statico, ovvero il peso di un quarto di veicolo privato della massa del gruppo ruota. Considerando che il trasferimento di carico combinato deve sottostare alla relazione tra forze longitudinali e trasversali trasmesse (entro l'ellisse di aderenza), il valore massimo della Fz è verosimilmente prossimo a 950 N. Moltiplicando tali carichi per il coefficiente di aderenza si trovano i valori massimi delle azioni sviluppabili in direzione longitudinale e trasversale nel punto di contatto a terra. I valori massimi per le forze laterali (Fy) sono prossimi a 1100N mentre quelli longitudinali (Fx) sono intorno ai 1000 N.
Dividendo le forze ottenute tra il braccetto superiore e quello inferiore della sospensione si ottengono gli stati di sollecitazione sui componenti di nostro interesse. Per un'analisi più efficace abbiamo comunque fatto riferimento ai valori delle forze sui giunti in possesso del team Dynamis, ottenuti tramite un apposito codice in Matlab. Per il nostro studio abbiamo valutato la condizione di stress più gravosa tra quelle proposte, ovvero massima accelerazione laterale e massima decelerazine longitudinale, ed effettuato analisi e dimensionamento sul braccetto che è risultato maggiormente sollecitato, nel nostro caso quello inferiore della sospensione anteriore.
Tabella delle sollecitazioni sulla geometria anteriore
Per valutare un'alternativa all'utilizzo dell'acciaio abbiamo effettuato un rapido test comparativo di rigidezza flessionale su una trave di sezione cilindrica cava, caricata ad un estremo e vincolata con un incastro all'estremo opposto. Il confronto è stato eseguito tra l'acciaio utilizzato in precedenza per costruire i braccetti, AISI 1018, e un composito realizzato da 12 strati di fibra di carbonio Toray T800H. Risultati: a parità, ovviamente, di carico e geometria, la rigidezza del carbonio risulta lievemente maggiore di quella dell'acciaio (circa 38000 N/m contro 31000 N/m), ma grazie al ridotto peso il componente in fibra di carbonio presenta una rigidezza specifica sei volte maggiore rispetto all'acciaio. Inoltre la fibra di carbonio resiste egregiamente a sforzi in direzione assiale, e sui componenti di nostro interesse agiscono quasi esclusivamente sollecitazione di quel tipo. Si consideri, in ultimo, anche il vantaggio economico legato alla collaborazione del team Dynamis PRC con l'azienda Mako Shark, e quindi la possibilità di reperire materiali compositi a prezzi concorrenziali.
Tabella delle proprietà del carbonio