Kilpa-ajoneuvon jousitusjärjestelmän ja rungon välisen absorboivan elementin esisuunnittelu

Abstract

Työssä tarkasteltiin kilpa-ajoneuvon jousitusjärjestelmän ja rungon välistä rakennetta ja kehitettiin väliin elementti, joka ehkäisee runkovaurioita heilahduksenvaimentimen pohjaustilanteissa. Tavoitteena oli tutkia kilpa-ajoneuvon jousitusjärjestelmän läpi tulevia voimia ja määrittää tutkimukseen perustuen normaalin kilpa-ajotilanteen maksimivoimat heilahduksenvaimentimen yläpään kiinnityspisteessä. Voimien määrityksen pohjalta tavoitteena oli suunnitella energiaa absorboiva elementti, joka toimii runkoon kohdistuvien normaalin kilpa-ajotilanteen maksimivoimien ylittävällä alueella.

Absorboiva elementti suunniteltiin absorboimaan ääritilanteissa syntyvien rungon lujuuden ylittävien voimien energiat. Elementin absorboiva materiaali suunniteltiin vaihdettavaksi nopeasti kilpailutilanteiden jälkeisissä huolloissa. Absorboivaksi materiaaliksi valittiin alumiinivaahto, jolla on erittäin hyvä energian absorbointikyky. Työssä perehdyttiin alumiinivaahtojen rakennelajeihin, solurakenteisiin ja valmistustapoihin. Työssä laskettiin avoimen ja suljetun solun alumiinivaahtojen tasaantumisjännitykset ja energian absorbointikyvyt suunnitellussa absorboivassa elementissä. Työssä myös suoritettiin lujuustarkastelua elementin rungolle sekä avoimen ja suljetun solun alumiinivaahdoille.

Lopputuloksena saatiin monipuolinen peruskäsitys alumiinivaahtojen käyttäytymisestä kynnysvoimalla aktivoituvana materiaalina ja niiden soveltamisesta energiaa absorboivaan elementtiin. Alumiinivaahtojen energian absorbointikyvyt todettiin käyttötarkoitukseen riittäviksi etenkin Alporas-vaahdolla ja myös avoimen solun alumiinivaahdolla, mikäli käytetään 6061-T6-alumiinia raaka-aineena. Toteutettavissa oleva absorboiva elementti suunniteltiin, mutta absorbointimateriaalin vaikean saatavuuden vuoksi fyysistä mallia ei valmistettu. Absorboivan elementin jatkokehitykselle ja tuotteistamiselle tämä työ toimii hyvänä pohjana. Työn teoriapohjaa alumiinivaahdoista voidaan myös pitää hyvänä lähtöaineistona mahdollisiin syventäviin tutkimuksiin ja perustana uusien innovaatioiden syntymiselle.

One of the most common causes of an in-event retirement in rallying is the failure of suspension’s top mount. Top mounting of the suspensions strut is damaged by an impulse when driven to a harsh road surface. The failure of the top mounting can cause severe damage and danger to the drivers if the incident happens at high speeds or in incorrect situation of the drive. To avoid breathtaking rollovers like Jari-Matti Latvala had in Argentina 2016 due to a top mount failure, an energy absorbing element was to be designed. The element as well as the absorbing material inside should be easy to replace.

In this thesis the conclusion was approached by defining the passing forces of suspension system in a regular drive of a rally stage. After the regular forces affecting the rally cars top mounting had been determined, an element was designed to absorb the energy of the exceeding forces.

Aluminium foam was defined as the absorbing material for the construction. Cell structures and manufacturing of different types of aluminium foam were presented. The needed theoretical plateau stress and plateau stresses by material were calculated to determine the relative densities of aluminium foams to collapse at a given force. Also, the absorbable energy by open and closed cell aluminium foams in the construction were calculated.

This thesis gives a good insight into designing energy absorbing constructions with aluminium foams as an edge force collapsing absorbing element. A manufacturable and working absorbing element was designed but due to problems with material procurement, a physical model was not manufactured. Due to the procurement problems with aluminium foam, a second option was discovered. An open cell aluminium foam structure was 3D designed using the Solidworks program, and it was meant to be produced by the DMLS-method. Within the framework of this thesis there was not enough time to test the processability of the method, and it was reassigned for further studies.

This thesis can be seen as a base study for developing and manufacturing of the designed element and as well for further studies of aluminium foams in industrial applications in Finland.