Formula Student -kilpa-auton aktiivinen takasiipi (DRS)

Abstract

Tässä opinnäytetyössä suunniteltiin Metropolia Motorsport Formula Student -tiimille automaattinen DRS-järjestelmä eli aktiivinen ilmanvastusta vähentävä takasiipi, joka on tarkoitettu nostamaan huippunopeutta radan suorilla osuuksilla. DRS-järjestelmä suunniteltiin käyttäen uutta takasiipeä ja erilaisia siipiprofiileita. Työssä tutkitaan formula-auton aerodynaamisten voimien muutoksia CFD-simulaatioiden avulla sekä kuvataan mekaanisten ja elektroniikan komponenttien mitoittamista, suunnittelua ja ohjauslogiikan toteutusta. Lisäksi työssä arvioidaan DRS-järjestelmän kannattavuutta, toteutusta ja erilaisia toteutustapoja.

Opinnäytetyön tavoitteena oli laatia kattava suunnitelma järjestelmän toteuttamiseksi ja tarjota vaihtoehtoinen ratkaisu jo olemassa olevaan DRS-järjestelmän suunnitelmaan. Toinen suunnitelma oli tehty nykyiselle nelielementtiselle takasiivelle. Tässä työssä esitetty kaksielementtinen takasiipi perustuu yksinkertaisempaan mekanismiin suunnitellussa DRS-järjestelmässä.

Työ alkoi CFD-simulaatioilla, joissa havaittiin vaikuttavat ilmanvastus- ja negatiiviset nostevoimat. Kun takasiipi oli avoimessa asennossa, ilmanvastuksen määrä väheni 25 % ja negatiivinen nostevoima 19 %. CFD-simulaation voimia hyödynnettiin NX-ohjelmiston dynaamisessa simulaatiossa, josta saadaan tuloksena DRS-järjestelmän maksimivääntömomentti, 12,3 Nm. Työssä DRS-järjestelmän hyötyä simuloitiin Optimum Lap -ohjelmalla 75 metrin kiihdytyssuoralla. Takasiiven ollessa auki asennossa kiihdytysajoaika oli 0,01 sekuntia nopeampi kuin takasiiven ollessa kiinni. Mekanismin liikkuvuus todettiin toimivaksi laskemalla vapausasteiden määrä ja simuloimalla liikettä Linkage-ohjelmalla. DRS-järjestelmän käyttövoimaksi valittiin harjaton DC-moottori.

Opinnäytetyö toi esiin kehityskohteita. DRS-järjestelmän suunnittelua voisi laajentaa ratasimulaation, mekaanisten komponenttien ja elektroniikan osalta. Ratatarkasteluihin parempi kierrosaikaohjelma olisi hyödyllinen. Mekaanisten komponenttien mitoitus olisi voinut olla tarkempaa lujuuslaskelmien avulla. Elektroniikkajärjestelmän suunnitteluosuus kaipaisi kattavuutta. Lisäksi ohjelmakoodin ja väyläviestinnän toteutus jäivät puuttumaan.

The purpose of this thesis was to design an automatic DRS (Drag Reduction System) for the Metropolia Motorsport Formula Student team. This system, an active rear wing that reduces air resistance, is intended to increase top speed on the straight sections of a track. The DRS system is planned to be developed using a new rear wing and various wing profiles. The work involves investigating changes in the aerodynamic forces of a Formula car through CFD simulations, as well as detailing the sizing, design, and implementation of mechanical and electronic components and control logic. Additionally, the thesis evaluates the feasibility, implementation, and various methods of executing the DRS system.

The objective of this thesis is to develop a comprehensive plan for implementing a system and to offer an alternative solution to an existing plan for a DRS. The existing plan was designed for the current four-element rear wing. In this work, a simpler mechanism-based two-element rear wing is presented for the DRS system.

The workflow began with CFD simulations, which identified significant drag and negative lift forces. With the rear wing in the open position, drag reduced by 25 % and negative lift by 19 %. The forces from the CFD simulation were utilized in a dynamic simulation using NX software, resulting in a maximum torque requirement for the DRS system of 12,3 Nm. The benefit of the DRS system is simulated using the Optimum Lap program on a 75-meter acceleration straight. The acceleration time with the wing open was 0,01 seconds faster than with the wing closed. The mechanism’s mobility was confirmed to be functional by calculating the number of degrees of freedom and simulating the motion using the Linkage program. A brushless DC motor is selected as the power source for the DRS system.

The thesis highlighted areas for improvement. The design of the DRS system could be expanded in terms of track simulation, mechanical components, and electronics. A better lap time program would be beneficial for track analyses. The sizing of mechanical components could have been more precise with strength calculations. A more comprehensive design of the electronic system is needed. Additionally, the implementation of the programming code and CAN communication were omitted.