Riassunto analitico
Il progetto di tesi è stato sviluppato presso Scuderia Toro Rosso S.p.a. con l’obiettivo di identificare nuove soluzioni per migliorare il layout del terzo elemento di una sospensione idraulica e valutarne la performance. In un contesto competitivo quale la Formula 1, sono stati sviluppati nel corso degli anni numerosi e innovativi tipi di sospensione, tenendo conto della sempre maggiore importanza data al legame tra la forza generata alle ruote e l’aerodinamica. Le sospensioni sono diventate lo strumento più importante per controllare l’assetto del veicolo e garantire in ogni condizione il livello ottimale di carico aerodinamico. L’uso di sospensioni attive è stato bandito dalla FIA (Federation Internationale de l’Automobile) per ridurre i costi sostenuti dalle scuderie. Mercedes nel 2011 sviluppò un modello di sospensione interconnesso, sfruttando l’alto rapporto potenza-volume e la possibilità di creare complesse logiche dei sistemi idraulici. Questo nuovo tipo di sospensione mima il comportamento di una sospensione attiva ed è divenuto presto molto popolare fra le diverse squadre. Dopo alcuni anni, la FIA decise di mettere al bando anche questa soluzione per ridurre i costi e cercare di mantenere la competitività tra le diverse scuderie. Un grande numero di squadre usa ancora sistemi controllati idraulicamente, poiché offrono maggiore libertà nella gestione degli ingombri all’interno del veicolo, così come il possibile posizionamento dei componenti in zone più accessibili. Ciò facilita i cambiamenti di assetto durante gli eventi. Durate il normale utilizzo, le sospensioni sono soggette a grandi variazioni di temperatura. L’aumento di essa spinge l’olio ad espandersi. Il mancato controllo di tale fenomeno può comportare il guasto o il cambiamento del comportamento della sospensione. A partire dall’ultimo sistema di sospensione idraulica interconnessa progettata dalla compagnia, è stato sviluppato un nuovo modello per il terzo elemento della sospensione idraulica stessa. Il terzo elemento mostra un aumento di rigidezza in funzione della temperatura. Ciò conduce a una variazione indesiderata dell’altezza posteriore da terra, determinando una riduzione della prestazione aerodinamica dell’auto. Tale effetto può essere ricondotto principalmente all’espansione dell’olio, ma anche all’aumento della pressione della molla d’aria. Durante il tirocinio, si è usato il programma AMESim per modellare nuovi layout in maniera tale da compensare l’espansione termica. La prestazione è valutata in termini di riduzione della variazione dell’altezza da terra, peso e ingombro, per identificare la soluzione più promettente. Nel testo è anche proposto un metodo per compensare l’irrigidimento della molla ad aria, la sua performance è valutata in combinazione con i diversi sistemi. La presenti tesi riporta un’introduzione teorica che include la descrizione del software utilizzato per le simulazioni, una dettagliata spiegazione delle equazioni e delle assunzioni introdotte durante la modellazione. Si riportano inoltre i principi di funzionamento e il metodo di progettazione, seguiti da un commento dei risultati ottenuti dalle simulazioni. I valori reali dei risultati e i dati utilizzati nella procedura sono censurati o omessi per rispettare il segreto aziendale. Questo lavoro è un’analisi comparativa preliminare: è stato possibile identificare due possibili soluzioni capaci di compensare completamente l’effetto dell’espansione dell’olio. Ciascuno di essi comporta qualche compromesso in termine di performance o peso e ingombro. Tali soluzioni sono le candidate perfette da sottoporre ad un’analisi più approfondita.
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Abstract
The thesis project was developed at Scuderia Toro Rosso S.p.a. with the aim of identifying some new solutions to improve the layout of a hydraulic rear heave unit and evaluate their performance.
In a competitive context like the Formula 1, different and innovative suspensions design have been developed over the years to follow the more and more strict relationship between tyre forces and aerodynamics. Suspension became the main tool to control the pitch, the roll and the heave of the vehicle in any portion of the track in order to guarantee the optimal level of downforce. The use of active suspensions was banned by the FIA (Federation Internationale de l’Automobile) to reduce the costs incurred by the teams. The high power-volume ratio and the possibility to construct complicated control logics of hydraulics systems was exploited by Mercedes; in 2011 they developed a Front to Rear interconnected layout. This kind of suspensions mimics the behaviour of active ones and it became popular among the different teams. Again, FIA forbid the use of interconnected suspensions to reduce costs and to try to maintain competitiveness among the different teams. A great number of teams is still using suspensions system controlled by hydraulics. They offer advantages in packaging and they make easy components access, reducing time required for set up during race events.
During normal operation, suspensions are subjected to large temperature variations. Temperature increase induces oil expansion that must be taken under control to avoid failure or mismatch in suspension behaviour respect to the target. A new model for Rear Heave Unit (RHU) was developed starting from the lasts hydraulic interconnected suspension system designed by the company. The RHU shows an increase in stiffness as function of temperature. This leads to an undesired variation in Rear Ride Height (RRH), leading to a reduction of the aerodynamic performance of the car. This effect can be addressed mainly to oil expansion but also the increasing of air spring pressure contributes to it.
During the internship, AMESim was used to model new layouts in order to compensate oil expansion. Their performance is evaluated in term of reduction in RRH variation, weight and packaging to identify the most promising ones. A system to compensate for air spring stiffening is also proposed in this essay and its performance is evaluated in combination with the different systems.
This thesis reports a theoretical introduction which includes the description of the software used to run simulations, the detailed explanation of the components governing equations and the assumptions introduced. Then the working principles and the design method for each system are presented, followed by a comment on the results of simulations. The real value obtained in results and the data exploited to run simulations are obscured or omitted to preserve business secret.
This work is a preliminary comparative analysis and it was possible to identify two solutions able to completely relief oil expansion effect. Each of them requires some compromises in term of performance or weight and space. These two solutions are the perfect candidates to submit to a deeper analysis. The further development steps include: a refinement of the simulations based on the analysis of a larger sample of track data, and the design of the different components to effectively evaluate their impact on the basic layout of the new car.
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