Rör-chassi till tävlingsbil

EXAMENSARBETE 2008:026 HIP Rör-chassi till tävlingsbil Robert Ajdén HÖGSKOLEINGENJÖRSPROGRAMMET Arena innovativ teknik och företagande Luleå tekniska universitet Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för Hållfasthetslära 2008:026 HIP ISSN: 1404-5494 ISRN: LTU - HIP - EX - - 08/026 - - SE

Förord Jag började fundera på det här projektet för fyra år sedan, men det är inom det senaste året som jag har lagt ned mer energi på projektet och under de senaste 5 månaderna har jag arbetat med det här som mitt examensarbete i min utbildning Arena Innovativ teknik och företagande med inriktning mot bilsystemteknik 1

Sammanfattning Syftet med detta arbete är att göra en avslutande projektkurs i min utbildning Arena Innovativ teknik och företagande med inriktning mot bilsystemteknik Målet är att baserat på kunskap och färdigheter från min utbildning, visa förmåga att genomföra ett självständigt projekt. I detta fall är uppgiften att konstruera och bygga ett chassi till en tävlingsbil, från tidiga skisser fram till ett rullande chassi. Arbetet innefattar de steg som krävs för att konstruera ett chassi; inspirationsökning, CADritningar, analyser av konstruktionen både dynamiskt och hållfasthetsmässigt och framför allt bygga chassiet för att visa att det går att tillverka det jag konstruerat. 2

Innehållsförteckning Förord...1 Sammanfattning...2 Innehållsförteckning...3 Abstract...4 1 Inledning...5 1.1 Bakgrund...5 1.2 Syfte...5 2. Teori...6 3 Metod...9 3.1 Letar inspiration...9 3.2 Kravspecifikation...11 3.3 Geometrierna för hjulupphängningen...12 3.4 Ritningar...13 3.4.1 Chassi...13 3.4.2 A-armar...14 3.4.3 Uprights...15 3.5 FEM Analyser...16 3.6 Material...18 3.7 Tillverkning...19 3.7.1 Jigg...19 3.7.2 Skyddsburen...20 3.7.3 Chassiet...21 3.7.4 A-armar...22 3.7.5 Uprights...23 3.7.6 Övriga delar...24 4 Resultat...25 5 Slutsats...26 6 Referenser...27 6.1 Litteratur...27 6.2 Internet...27 6.3 Personer...27 3

Abstract The purpose of this work is to make a final project in my education "Arena Innovative technology and entrepreneurship with a focus on car system technical" The goal is to based on knowledge and skills from my training, demonstrate the ability to carry out an independent project. In this case the task is to design and build a chassis for a racing car, from early sketches to a rolling chassis. The work includes the steps required to construct a chassis; as looking for inspirations, CAD drawings, dynamic and statistic FE-analyses and the most important thing: to build it. 4

1 Inledning 1.1 Bakgrund Bakgrunden till det här arbetet är att jag vill hålla på med någon typ av konstruktion av tävlingsbilar. Då tyckte jag att det skulle vara lämpligt att bygga en egen tävlingsbil från grunden för att visa upp vad jag kan. Tidigare har jag byggt om och renoverat en Austin Healey Sprite. När jag byggde Spriten lärde jag mig en hel del, men den var inte riktigt optimal på grund av att jag behövde hålla mig inom den ursprungliga karossen, därför ville jag bygga en bil som verkligen visar vad jag kan där jag inte behöver tänka på att den måste vara utformad för att passa redan ett befintligt chassi. Bild 1.1 Austin Healey Sprite som är modifierad och renoverad av mig. 1.2 Syfte Syftet är att visa vad jag kan bygga från tidig skiss till ett rullande chassi som senare kommer att bli en hel bil. Detta ska visa att jag kan erfordliga teoretiska och praktiska bitar för denna typ av konstruktion av bilar. Syftet är att ha ett examensarbete som jag kan visa upp för eventuella arbetsgivare i framtiden. Om jag hade gjort ett examensarbete åt ett företag hade arbetet troligen varit mest relevant för det speciella företaget. 5

2. Teori Vridpåkänningar som kommer från vägen eller krafter från kurvtagning är de största och viktigaste krafterna ett chassi har att motstå. [2], [3] Måttet för motståndet att vrida sig kallas för vridstyvhet och mäts i Newtonmeter per grad (Nm/grad) eller Foot-pound per grad. 1 foot pound = 1.3558 Nm. Förenklat kan chassiet förklaras som ett rör som vrids i ena ändan och den andra är fixerad i en punkt. Bild 2.1 Förenklad modell av vridtest. Vridstyvheten kan beräknas med formeln där vridmomentet applicerat på chassiet delat med hur mycket chassiet blivit vridigt. K = T K = θ FL 1 y1 + y tan 2L 2 Där: K är vridstyvheten (Nm/grad) T är vridmomentet (Nm) =F*L F är applicerad kraft (N) L är hävarm (m) Ө är antalet grader chassiet blivit vridet. (2.1) 6

Figur 2.1 För att stämma bättre överens med det riktiga vridtestet ändras formeln och figuren lite. A och B är rocker infästningarna, M är lagringen där vridningen sker. F är kraften som appliceras med domkraften i testet. Figur 2.2 Friläggning av krafterna. Figur 2.3 Första steget är att räkna fram F A och F B vid rotation kring M. F A och F B är krafterna sen som kommer sättas in i Trinitas för att på så sätt kunna testa vridningen där med de värden som ansattes i det verkliga testet för att på så sätt kunna jämföra verkligheten med programmet. 7

Antagande att F A = F B ger. M : L L FL F + F 0 2 2 = A B F = FB A = F 2 M är förankrad i marken vilket leder till : F + F R+ F = 0 A R=F ingen rörelse i y-led. Momentet T som vrider chassiet är T= F*L B Vridningen av chassiet blir enligt formel 1. K = T K = θ FL 1 y1 + y tan L 2 (2.2) 8

3 Metod 3.1 Letar inspiration Inspirationen är tagen ifrån sportvagnsprototyper som kördes med i Lemans på början av 2000 talet. Funderade på en del olika bilar att göra en kopia av och även att göra en helt egen kaross. Men till sist valde jag att bygga en replika av Bentleys tävlingsbil i klassen LMGTP, mer känd som Bentley EXP Speed 8. Anledningarna till att jag valde den var att jag fick en redan aerodynamisk utprovad kaross, tyckte den såg bra ut och att jag har hållit på med engelska bilar tidigare. Bild 3.1 Bentley EXP Speed 8 9

För att göra ritningarna till chassiet utfördes 3D-scanning av en modell av Bentleyn för att få en 3d-beskrivning att hålla sig inom när chassiet skulle ritas. På några punkter ändrades karossen från originalet för att kunna göra chassiet bättre, t.ex. flytta förarutrymmet lite bakåt. Bild 3.2 3D-scanning av modell. Bild 3.3 3D-modell 10

3.2 Kravspecifikation - Mittmotor, ganska stort motorutrymme för att ha möjlighet att prova olika motorer. - Lätt - Så vridstyvt som möjligt utan att bli allt för tungt. - Passa innanför karossen på en Bentley EXP Speed 8 Le Mans bil med inte allt för stora modifieringar av karossen. - Byggt enligt SLC GT reglementet 1 och SBFs säkerhetsregler 2. - Eventuellt kunna besiktas som amatörbyggt fordon 1 http://www.slc.se/offdoc/regler/slc_teknik_kl4.pdf 2 http://web.sbf.se/regler/up/4/tr_regler.pdf 11

3.3 Geometrierna för hjulupphängningen Geometrin togs fram med hjälp av ett Excel dokument, som kunde visa olika variablers samband med varandra. Detta gav en snabb överblick på vilka saker som ändras om man ändrar olika parametrar, t.ex. längden på A-armarna. Analys och optimering av hjulupphängningsgeometrin utfördes i ett parallellt examensarbete. Det projektet försågs med CAD-ritningar och relevant information om bilens konstruktion som blev indata till dynamikanalys programmet ADAMS. För ytterligare information om dynamiken och ADAMS-simuleringarna se examensarbetes rapporten [1] Analysis and optimization of racecar chassis av Johan Persson och Erik H. Andersson. En av förändringarna var att inre fästpunkten för de övre A- Armarna i fram flyttades upp 30 mm och in 5 mm. Specifikation på hjulupphängning kan ses i tabell 3.1 Analysis and optimization of racecar chassis - gruppen försåg mig även med flera kraftvärden för att kunna använda till FEM-analys. De scenarier värdena kom ifrån var broms vid 1 g, kurvtagning och 50 mm djupt pothole i 200 km/h som är en grop i vägbanan. Parametrar för hjulupphängningen Fram Bak Typ av hjulupphängning Dubbla A-armar, coilovers och justerbara krängningshämmare. Dubbla A-armar, coilovers och justerbara krängningshämmare. Däck 245R 17 255R 17 Fälgar Markfrigång Tyngdpunkt Vikt fördelning 10 bred et44 50mm 375mm över marken 45% 10 bred et44 50mm 375mm över marken 55% Hjul rörelse 50mm in/ 50mm ut 50mm in/ 50mm ut Hjulkonstant 27.2N/mm 16.4N/mm Roll rate chassis to ground deg/g Infjädring Utfjärding Förhållande wheelrate/springrate 1.48 Justerbar Justerbar 0.75 1.48 Justerbar Justerbar 0.61 Camber compensation roll. deg/deg 0.48 0.48 Toe in/out 0.1 deg toe-in (justerbar) 0.1 deg toe-in (usterbar) Statisk camber 1g lateral camber -1.0 deg (justerbar) Vänster -0.41, Höger -1.71-1.0 deg (justerbar) Vänster -0.6, Höger -2.3 Statisk caster Statisk Caster moment arm Kingpin lutning 4.68deg 24.92mm 6.14 deg 13.4deg 111.mm - Statisk Ackerman Scrub radie Roll center Roll center vid 1g laterel acc Wheel to ground normal force 1g lateral Spårvidd Spårviddsföränding vid 1g laterell Tabell 3.1 100% (justerbar 25%-200%) 51mm 71.0mm ovan marken 70.7mm ovan marken 14.2mm mot belastade sidan Vänster 845.0N Höger 2557.9N 1781mm +0.5mm - - 74.7mm ovan marken 74.7mm ovan marken 4.2mm mot belastade sidan Vänster 1629.1N Höger 3612.4N 12

3.4 Ritningar 3.4.1 Chassi Ritningarna gjordes med Unigraphic NX 5. Första steget var att skapa plan att rita på för huvud bågarna och rören som sitter i samma nivå med infästningarna för A-armarna. På dom planen ritades sedan ut streck där rören ska sitta. Av strecken gjordes rör med funktionen tube i NX5. På så sätt var de första rören på rätt plats och de övriga rören kunde börja dras mellan de redan förbestämda rören. Bild 3.4 Grund delarna i chassiet. Bild 3.5 Klart chassi. 13

3.4.2 A-armar A-armarna gjordes på enklast möjliga sätt där koordinater från Adams sattes ut och vid dom ritades ledlagerfästen och mellan dessa drogs rör. Försökte i största utsträckning bara använda ledlager istället för länkarmshuvuden för att få så lite som möjligt som kunde röra på sig På två ställen behövdes det tyvärr användas länkarmshuvuden men då placerades dom så att det mestadels blev drag/tryck krafter i dom. Där de utsattes för brytande krafter valdes en storlek större än beräknat för att kompensera. Anledningen till den placeringen är att underlättar justeringen av cambern. Efter att FEM-analyserna av A-armarna var genomförda framkom det att de gick att förbättra med en boxning av den yttre delen för att på så sätt hindra tendensen att armarna böjs längst ut. Boxning är när en redan befintlig konstruktion förstärks genom att plåtar svetsas dit mellan rören och på så sätt öka hållfastheten. Bild 3.6 Camberjusteringen av bakre hjulupphängningen. Bild 3.7 Undre främre A-armen. 14

3.4.3 Uprights Upright är den del som håller samman hjulet med A-armarna och bromsoken. Det svenska namnet för det är hubb eller navhus men i det här samanhanget är det mest det engelska ordet upright som använts även på svenska. Första steget var att sätta ut punkter där fästena skulle sitta och centrumet för hjulen. Därefter ritades lagerhållaren och runt den ritades ekrarna som är gjorda för att kunna släppa in luft till kylningen av bromskivorna. Några olika varianter av A-armsfästen testades innan den sista designen bestämdes som blev bästa förhållandet mellan vikt, hållbarhet och enkelhet att konstruera. Övre A-armsfästet på främre uprighten gjordes i en lös del för att då så sätt kunna justera cambern utan att toe in/out ändrades samtidigt. Det gjorde även det möjligt att justera försprånget som är längden mellan hjulcentrumet och kingpinlinjen. Bild 3.8 Främre upright med broms ok, skiva och fäste för övre A-armen. Bild 3.9 Bakre upright. 15

3.5 FEM-analyser För FEM-analyser av påkänningarna i de lösa detaljerna som A-armar och uprights användes NX Nastran som är inbyggt i NX5. För själva rörkonstruktionen användes Trinitas 1 som är ett fristående FEM-program utvecklas av professor Bo Torstenfelt vid Linköpings Universitet. Anledningen till att Trinitas valdes var att det var det mest lättanvända av de program som testades och att det gick snabbast att ändra olika detaljer i det. För att på så sätt enkelt kunna testa olika placeringar av rör för att få fram den bästa kompromissen mellan vikt och vridstyvhet. Två olika typer av analyser gjordes. Den ena med värdena från pothole simuleringen i ADAMS som indata för att se vilka påfrestningar det genererade. Efter några simuleringar med lite olika utformningar på chassiet gick det inte att göra det mycket bättre utan att vikten skulle öka onödigt mycket. Där efter gjordes det andra testet för att försöka öka vridstyvheten så mycket som möjligt. Det gjordes på så sätt att i bakre rockerfästena låstes chassiet fast och en led som chassiet kunde roteras runt sattes i fram. De vridande krafterna sattes på de främre rocker fästena för att vrida chassiet en grad. Efter flera tester med olika placeringar av rören och olika dimensioner av rören blev resultatet 15686Nm/grad för ett chassi som väger 107 kg, vilket anses bra. Bild 3.10 Vridtest av chassiet. 1 http://ohio.ikp.liu.se/~botor/trinitas_learning_studio.html 16

För test av A-armarna användes krafter från 1g bromsning och 1g kurvtagning. Prov gjordes också med att ta krafter från nedkörning i ett 50 mm djupt pothole i 200 km i timmen men det bara bevisade farhågorna om att det inte skulle hålla. Detta räknas inte som ett normalfall för en bil av den här typen, dessutom är A-armarna designade för att gå sönder innan chassiet för att på så sätt skydda chassiet som är svårare att laga. I och med att A-armarna ska fungera som en typ av brytpinne lades den mesta energin ned på att försöka få en så jämn belastning över hela armen som möjligt, för att den inte skulle råka brytas av på fel ställe av de vanliga belastningarna. En liten plåt längst ut på A-armarna sänkte maxbelastningen en bit och även deformationen sjönk. Detta är ett exempel på detaljer som är enkla att tillverka och som inte väger mycket men som ändå ger en förbättring. Bild 3.11 A-arm utan förstärkningsplåt Bild 3.12 A-arm med förstärkningsplåt. 17

3.6 Material Materialen valdes efter kravspecifikationerna i SBFs regelbok för burbyggnation, som kräver att man använder stål med sträckgräns över 350 Mpa och i form av sömlösa rör. Valet stod i att antingen använda sömlösa precisions rör med beteckningarna SS-EN 10305-1 Stålsort E355 (DIN 2391 St52) eller Krommolybden-stål (DIN 4130) Materialet som valdes blev DIN 2391 av anledningen att det är enklare att få tag på, lite billigare och att man slipper normalisera [4] svetsarna efter man svetsat vilket annars skulle behövt göra när man använt CrMo. Fördelarna med CrMo skulle ha varit att det är betydligt starkare vilket skulle resultera att det går att bygga lättare. Rören till ramen beställdes med tillägget +C (gamla benämningen BK) detta betyder att rören inte är värmebehandlad efter sista dragningen vilket gör att den är deformationshärdad vilket ökar sträckgränsen men tyvärr sänker brottförlängningen. Till A-armarna används rör med tillägget +N (gamla benämningen NBK) vilket betyder att rören är normaliserade vilket gör att dom viker sig istället för att går av vid ett haveri. 18

3.7 Tillverkning 3.7.1 Jigg Första steget vid tillverkningen av chassiet var att tillverka en jigg på vilken chassiet byggs uppe på. Jiggens uppgift är att ge en plan yta att bygga på och upphöjningar för fram och bakdelen på chassiet. Efter jiggen var byggd ritades streck ut där rören för botten på bilen ska vara och där huvud bågarna skulle sitta borrades hål i jiggen för att kunna sticka ned rören. Detta för att justera höjden och för att få bågarna att stå stilla på samma ställe. Bild 3.13 Jigg 19

3.7.2 Skyddsburen Huvudbågarna valsades med en plattjärnsvals som fått nya valsar svarvade för att passa rören. Bågarna placerades i de borrade hålen i jiggen och mättes in så de stod rätt. Därefter punktsvetsades två rör mellan bågarna för att få dom att stå still. Sen var det bara att sätta igång med rördragningen mellan bågarna. För att kapa rören användes en fräs med rätt diameter, på så sätt kunde vinkeln enkelt bestämmas och det blev bra notchningar på en gång. Det enda som behövdes göras efteråt var att ta av lite grader runt kanten med en lamellrondell. De två första rören som drogs i mellan huvudbågarna var rören i golvet för att kunna bestämma exakt höjd på bågarna. Nästa rör som sattes dit var de i taket för att på så sätt kunna bestämma vinkeln mellan huvudbågarna. När bågarna satt på plats där dom skulle sitta kunde resterande rör passas in och punktsvetsas fast. Bild 3.14 Skyddsbur 20

3.7.3 Chassiet Första steget var att tillverka 4 st fyrkanter som skulle utgöra rören vid infästningarna för Aarmarna. När dessa var gjorda mättes dom två undre in och skruvades fast i jiggen, en fram och en bak. Där efter passades rör in mellan fyrkanterna och störtbågen för att säker ställa att alla delar sitter där dom ska. När det var gjort hade golvet bildas, från det byggdes två jiggar upp för att få de övre fyrkanterna att hamna rätt. När det var gjort hade det bildats tre lådor som utgjorde grunden för chassiet, mellan dessa drogs alla rör. De första rören var de som gick vertikalt för att på så sätt få de yttre måtten. Efter det kunde den tidsödande trianguleringen börja. Några rör fick vänta ett tag tills motor och lådan var monterade. För att kunna montera ur motorn gjordes en del ovanför motorn löstag bar för att på så sätt enkelt kunna lyfta ur motorn. Bild 3.15 Nästintill färdigt chassie. 21

3.7.4 A-armar Alla A-armar utom de övre bak byggdes genom att först svarvades hållare till ledlagren. Därefter ritades A-armarnas mått ut på en spånplatta och där ledlagerfästena ska sitta skruvades cylindrar fast för att hålla ledlagerfästena på rätt plats. Nästa steg var att passa in rören i mellan fästena, det gjordes enkelt och snabbt med en fräs. Rören punktsvetsades först sittande i jiggen, därefter togs A-armen loss från jiggen och de inre fästena bröts isär ca 5-10 mm för att vid helsvetsning dra ihop sig till rätt form igen. Det gjordes för att inte behöva rikta A-armarna i efterhand. Efter det var det bara att sätta dit förstärkningsplåtar där det behövdes. Sista steget var att brotcha upp ledlagerfästena för att dom skulle få rätt passning mot ledlagrena. Bild 3.16 A-armar 22

3.7.5 Uprights Först svarvades lagerlägena till hjullagren. Runt dom svetsades plåtar i form av ekrar för att kunna släppa in kylluft till bromsarna. Runt dessa svetsades en ring av valsad plåt fast. Därefter svetsades fästen för A-armarna fast. För att få ut fästes hålen rätt användes koordinatbordet i en fräs för att borra hålen på exakt rätt plats. Övre fästet för A-armarna på de främre uprightsen kombinerades med styrarmarna för att kunna justera cambern utan att toe in/out förändrades något. Fästena för bromsoken skruvades först fast på oken som sedan träddes över bromskivan för att på så sätt få oken att ligga i linje med skivan. Därefter svetsades fästena fast och uprightsen var helt klara. Bild 3.17 Främre upright. Bild 3.18 Bakre upright.. 23

3.7.6 Övriga delar Fästena för A-armarna i chassiet gjordes av 2 mm plåt som utformades till lådor. Anledningen till att så tunt material användes är att fästena ska kunna slitas sönder utan att allt för mycket av chassiet skadas vid en ev. krasch. Rocker och stötdämparfästen gjordes av 3 mm plåt som klipptes ut och finslipades för att passa bra innan de punktades fast. Efter alla delar i fjädringen var monterade provades fjädringsrörelsen för att se så det stämmer överens med simuleringarna i ADAMS innan de helsvetsades. Rockerna gjordes av två 3 mm plåtar som svetsades ihop med ett lagerläge där de skulle vara lagrade mot chassiet. Mellan plåtarna monterades fästet för stötdämparna och ledlagren till pushroden, som är länkaget som för fjädringsrörelsen från uprighten till rockern som i sin tur för över kraften till stötdämparna. Naven till bromskivorna svarvades och frästes ur aluminium. Naven gjordes flytande för att skivan ska kunna expandera när de blir upphettad vid inbromsningar utan att slå sig. Skivan är inte direkt skruvad i navet utan skruvad i T-block som ligger i urfräsningar i naven vilket gör att navet och skivan inte är fast förbundna med varandra och gör så att skivan kan flyta runt när den ändrar form. Bild 3.19 Skivor med flytande nav. 24

4 Resultat Vrid testningen utfördes på ett liknande sätt som FEM- analysen. De bakre rockerfästena låstes fast i golvet med stag, för att få en stadig förankring. De främre rockerfästena skruvades fast på ett fyrkantrör som var lagrat på mitten där den kunde vrida sig runt. En domkraft pressade längst ut på ena änden av fyrkantröret för att ge det vridande momenten. Momentet avlästes genom en manometer som var monterad i domkraften för att kunna se trycket i hydraulvätskan och utifrån det räknades tryck kraften ut. Vridstyvheten blev 17500 Nm/grad vilket anses klart godkänt för en bil i den här klassen. Det brukar sägas att 6 gånger bilens vikt i kilo ska det minst vara i Nm/grad. I det här fallet skulle det vara 800x6= 4800 vilket är betydligt mindre än det chassiet behövde för att vridas en grad. Det ligger relativt nära resultatet från FEM-analysen där värdet var 15686 Nm/grad utan motor och låda monterad vilket skulle öka vridstyvheten en bit. Bild 4.1 Vridprovning. 25

5 Slutsatser Med rätt kunskap och planering går det att bygga ett konkurrenskraftigt bil-chassie med enkla material och med en låg budget. CAD, FEM och dynamikprogram har varit till stor hjälp genom att i ett tidigt skede kunna bestämma funktion och utseende för att på så sätt inte behöva göra några onödiga misstag. För ytligare detaljerad beskrivning av tillverkningen och fortsättningen på det här projektet hänvisar jag till min hemsida www.ajden.se Bild 5.1 Färdigt chassi 26

6 Referenser 6.1 Litteratur [1] E. H Andersson and J. Persson "Analysis and optimization of a racecar chassis" Master s thesis, Luleå University of technology, Division of functional products, 05 2008. [2] G. Malmberg Väghållningsboken 2004 [3] G. Malmberg Hjulupphängningsboken 2006 [4] C. Smith Engineer to Win 329 West Aviation Road Fallbrock CA 92028, USA: Aero publishers, INC, 1985 6.2 Internet www.rejsa.nu http://www.mulsannescorner.com/ http://ohio.ikp.liu.se/~botor/trinitas_learning_studio.html http://www.elecpubs.sae.org http://www.gurneyflap.com http://www.tibnor.se/ http://www.slc.se/ http://www.sbf.se/ 6.3 Personer Göran Malmberg Per Ajdén Erik Andersson och Johan Person Tipps om hur chassiet bör vara utformat. Handledning i Trinitas. För simuleringarna i Adams 27