Brake caliper design of a Formula Student vehicle

Abstract

Tämä opinnäytetyö käsitteli Tampere Formula Student (TFS) -tiimin vuoden 2027 sähköajoneuvoon kevytrakenteisen jarrusatulan suunnittelun ja rakenteellisen validoinnin. Projektin tavoitteena oli kehittää uusi jarrusatula, joka korjaa edellisen komponentin suunnittelupuutteet samalla noudattaen Formula Studentsääntöjä ja täyttää kaikki asetetut vaatimukset.

Työ alkoi teoreettisella katsauksella Formula Student -ajoneuvoissa käytettäviin jarrujärjestelmiin, keskittyen erityisesti hydraulisten jarrujen toimintaperiaatteisiin, kitkan teoriaan ja termodynamiikan vaikutuksiin. Edellisen jarrusatulamallin rajoituksia analysoitiin, erityisesti jarrutasapainoon, ilmausvaikeuksien ja välysvaatimusten osalta. Näiden havaintojen perusteella määriteltiin selkeät tavoitteet.

Uusi 3D-malli suunniteltiin Autodesk inventor -ohjelmistolla ja rakenteellinen validointi suoritettiin ANSYS-ohjelmistolla, jolla varmistettiin, että satula kestää sisäisen hydraulipaineen ja jarrutuksen tuottavat voimat riittävällä varmuuskertoimella. Valituksi materiaaliksi valikoitui EN AW-7075 -alumiini sen korkean massalujuussuhteen, hyvän työstettävyyden ja saatavuuden vuoksi. Lisäksi suoritettiin yksinkertaistettu hiilijalanjäljen arviointi päästöjen tarkastelemiseksi.

Lopullinen suunnitelma täytti asetetut vaatimukset ja oli valmis valmistukseen. Vaikka fyysiset testit olivat vielä suorittamatta, simulointitulokset osoittivat, että jarrusatula soveltuu Formula Student -käyttöön. Työ toimii myös teknisenä viiteaineistona tuleville tiimin jäsenille ja tukee tiedonsiirtoa organisaation sisällä.

This bachelor’s thesis presents the design and structural validation of a lightweight brake caliper for Tampere Formula Student (TFS) 2027 electric vehicle.The objective of the project was to develop a new brake caliper design that addresses the shortcomings of the previous design while complying with Formula Student rules and meeting all the requirements set.

The thesis began with a theoretical review of braking systems used in Formula Student vehicles, focusing mainly on hydraulic braking principles, friction theory and the effects of thermal dynamics. The limitations of the previous caliper design were analyzed, particularly focusing on brake balancing, bleeding difficulties and clearance requirements. Based on these findings, clear design goals were defined.

The new caliper was developed using Autodesk Inventor for the 3D-model, while structural validation was performed using ANSYS to verify that the caliper withstands internal hydraulic pressure and braking forces with an appropriate safety factor. The selected material was EN AW-7075 aluminium due to its high strength-to-weight ratio, good machinability, and availability. Additionally, a simplified carbon footprint estimation was conducted to evaluate the emissions.

The final design met the defined requirements and is ready for manufacturing. Although physical testing remains to be completed, the simulation results indicate that the caliper is suitable for Formula Student application. The thesis also serves as a technical reference for future team members and supports knowledge transfer within the organization.