Design, analysis and evaluation of composite suspension arms for competition automotive application

The scope of this thesis is the utilization of classical mechanics and statics, mechanics of composites and strength of materials and also essential design axioms to conceptualize, iterate, verify and then materialize a complete double wishbone independent suspension system, appropriate for an autom...

Full description

Bibliographic Details
Main Author: Κώστας, Θεοφάνης
Other Authors: Kostas, Theofanis
Language:English
Published: 2023
Subjects:
Online Access:https://hdl.handle.net/10889/24456
id nemertes-10889-24456
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Suspension arms
Composites
Automotive
Σχεδιασμός ανάρτησης
Σύνθετα υλικά
Τομέας αυτοκίνησης
Αγωνιστικές εφαρμογές
Βραχίονες ανάρτησης
spellingShingle Suspension arms
Composites
Automotive
Σχεδιασμός ανάρτησης
Σύνθετα υλικά
Τομέας αυτοκίνησης
Αγωνιστικές εφαρμογές
Βραχίονες ανάρτησης
Κώστας, Θεοφάνης
Design, analysis and evaluation of composite suspension arms for competition automotive application
description The scope of this thesis is the utilization of classical mechanics and statics, mechanics of composites and strength of materials and also essential design axioms to conceptualize, iterate, verify and then materialize a complete double wishbone independent suspension system, appropriate for an automotive application and more specifically, motorsports. Firstly, an appropriate physical layout will be chosen, one that complies with the physical constraints imposed from the rest of the vehicle that adheres to the desired spatial planning and one that also utilizes in the best of the possible ways enough adjustability, low weight, low center of weight, suspension articulation, steering articulation and more design targets. Also, the pure kinematics design parameters will be discussed and why these are to be desired, meaning how the characteristics of the tire can be translated through the suspension system so the contact patch can be maximized through the whole suspension articulation , so the grip and ultimately the vehicles performance can be maximized . Then , maximum load case scenarios will be established , by appropriate estimation of mechanical and aerodynamic loads acting on the center of the weight and center of aerodynamics of the vehicle , reacted through the tire contact patch and ultimately , through the suspension. For this, a code implemented analytical tool will be written in Matlab so the loads can be distributed appropriately in the four corners of the vehicle and each individual worse load case scenario can be accessed. For the establishment of each suspension arm individual load a statics problem will need to be solved for each load case scenario and also through suspension articulation, so it is also crucial to utilize a Matlab code implemented tool for solving the resultant spatial static equations effortlessly. After the estimated loads are defined, each individual suspension arm design will be refined and iterated by the use of CAD, appropriate material and construction method will be chosen and it will be subjected to stress and fatigue finite element analysis .At this point appropriate load bearing hardware will be dimensioned, like bolts, nuts, bearings, tie rods, and the design process thought and considerations will be discussed. Next, the benefits of composite materials in this application will be investigated, by appropriately designing the material and the geometry of alternative, carbon fiber composite suspension arms, in an effort to maximize performance by reducing the weight even further through application of Composite mechanics. The complexity and drawbacks of each consideration will be discussed and also the assumptions, design limitations and the benefits of each system will be explained. In summary, this thesis aspires to cover the majority of design considerations and desired attributes a competition automotive suspension system must adhere to, structurally wise and to give insight to what a final implementation both of commonplace materials and cutting edge solutions, like carbon fiber reinforced polymers, can be.
author2 Kostas, Theofanis
author_facet Kostas, Theofanis
Κώστας, Θεοφάνης
author Κώστας, Θεοφάνης
author_sort Κώστας, Θεοφάνης
title Design, analysis and evaluation of composite suspension arms for competition automotive application
title_short Design, analysis and evaluation of composite suspension arms for competition automotive application
title_full Design, analysis and evaluation of composite suspension arms for competition automotive application
title_fullStr Design, analysis and evaluation of composite suspension arms for competition automotive application
title_full_unstemmed Design, analysis and evaluation of composite suspension arms for competition automotive application
title_sort design, analysis and evaluation of composite suspension arms for competition automotive application
publishDate 2023
url https://hdl.handle.net/10889/24456
work_keys_str_mv AT kōstastheophanēs designanalysisandevaluationofcompositesuspensionarmsforcompetitionautomotiveapplication
AT kōstastheophanēs schediasmosanalysēkaiaxiologēsēbrachiōnōnanartēsēsaposynthetaylikagiaagōnistikēepharmogē
_version_ 1771297144001527808
spelling nemertes-10889-244562023-02-16T04:34:41Z Design, analysis and evaluation of composite suspension arms for competition automotive application Σχεδιασμός, ανάλυση και αξιολόγηση βραχιώνων ανάρτησης από σύνθετα υλικά για αγωνιστική εφαρμογή Κώστας, Θεοφάνης Kostas, Theofanis Suspension arms Composites Automotive Σχεδιασμός ανάρτησης Σύνθετα υλικά Τομέας αυτοκίνησης Αγωνιστικές εφαρμογές Βραχίονες ανάρτησης The scope of this thesis is the utilization of classical mechanics and statics, mechanics of composites and strength of materials and also essential design axioms to conceptualize, iterate, verify and then materialize a complete double wishbone independent suspension system, appropriate for an automotive application and more specifically, motorsports. Firstly, an appropriate physical layout will be chosen, one that complies with the physical constraints imposed from the rest of the vehicle that adheres to the desired spatial planning and one that also utilizes in the best of the possible ways enough adjustability, low weight, low center of weight, suspension articulation, steering articulation and more design targets. Also, the pure kinematics design parameters will be discussed and why these are to be desired, meaning how the characteristics of the tire can be translated through the suspension system so the contact patch can be maximized through the whole suspension articulation , so the grip and ultimately the vehicles performance can be maximized . Then , maximum load case scenarios will be established , by appropriate estimation of mechanical and aerodynamic loads acting on the center of the weight and center of aerodynamics of the vehicle , reacted through the tire contact patch and ultimately , through the suspension. For this, a code implemented analytical tool will be written in Matlab so the loads can be distributed appropriately in the four corners of the vehicle and each individual worse load case scenario can be accessed. For the establishment of each suspension arm individual load a statics problem will need to be solved for each load case scenario and also through suspension articulation, so it is also crucial to utilize a Matlab code implemented tool for solving the resultant spatial static equations effortlessly. After the estimated loads are defined, each individual suspension arm design will be refined and iterated by the use of CAD, appropriate material and construction method will be chosen and it will be subjected to stress and fatigue finite element analysis .At this point appropriate load bearing hardware will be dimensioned, like bolts, nuts, bearings, tie rods, and the design process thought and considerations will be discussed. Next, the benefits of composite materials in this application will be investigated, by appropriately designing the material and the geometry of alternative, carbon fiber composite suspension arms, in an effort to maximize performance by reducing the weight even further through application of Composite mechanics. The complexity and drawbacks of each consideration will be discussed and also the assumptions, design limitations and the benefits of each system will be explained. In summary, this thesis aspires to cover the majority of design considerations and desired attributes a competition automotive suspension system must adhere to, structurally wise and to give insight to what a final implementation both of commonplace materials and cutting edge solutions, like carbon fiber reinforced polymers, can be. Σκοπός αυτής της διατριβής είναι η αξιοποίηση της Κλασσικής Μηχανικής , της Στατικής , της Μηχανικής των Συνθέτων Υλικών , καθώς και της Αντοχής των Υλικών όπως επίσης και θεμελιωδών αρχών και κανόνων σχεδιασμού , για την σύλληψη , τον επαναπροσδιορισμό και τέλος την υλοποίηση ενός πλήρους συστήματος ανεξάρτητης ανάρτησης , καταλλήλου για αυτοκινητιστική ,και συγκεκριμένα , αγωνιστική εφαρμογή. Αρχικά , θα επιλεγεί ένα γενικό χωροταξικό πλάνο με σκοπό να προσδιριστεί η γενική γεωμετρία ,σε σχέση πάντα με τους περιορισμούς που επιβάλλονται από τον σχεδιασμό του υπόλοιπου οχήματος , καθώς και της ανάγκης για ικανοποίηση των βασικών απαιτούμενων ,με τον βέλτιστο δυνατό τρόπο , όπως επαρκής ρυθμισιμότητα , χαμηλή μάζα , χαμηλό κέντρο μάζας , επαρκής διαδρομή ανάρτησης , επαρκής διάμετρος στροφής και πολλών άλλων. Επίσης , οι καθαρά κινηματικές σχεδιαστικές παράμετροι και υποθέσεις θα συζητηθούν , καθώς και οι λόγοι για τους οποίους αυτές είναι επιθυμητές , συγκεκριμένα θα αναλυθεί ο τρόπος με τον οποίον τα εγγενή χαρακτηριστικά του ελαστικού μεταφράζονται μέσω της ανάρτησης , με σκοπό το όσο την δυνατόν μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής με τον δρόμο ανά πάσα στιγμή και συνθήκη , που έχει ως αποτέλεσμα την βελτιστοποίηση της μηχανικής πρόσφυσης και κατ’ επέκτασην , των συνολικών δυναμικών επιδόσεων του οχήματος. Στη συνέχεια , θα καθοριστούν τα δυσμενέστερα σενάρια καταπόνησης του συστήματος της ανάρτησης , κάτω από τα οποία αναμένονται τα μέγιστα φορτία., με εύστοχες εκτιμήσεις των μηχανικών και αεροδυναμικών φορτίων στα οποία θα πρέπει να ανταπεξέλθει η ανάρτηση , τα οποία επιδρούν , κατά σύμβαση , στο κέντρο μάζας και κέντρο αεροδυναμικών φορτίων του οχήματος , και αντιδρούνται από το σημείο επαφής του ελαστικού με το οδόστρωμα και στη συνέχεια διαμέσω της ανάρτησης .Για τον προσδιρισμό αυτών των φορτίων , θα αναπτυχθεί με μορφή κώδικα Matlab κατάλληλο αναλυτικό εργαλείο ώστε να κατανεμηθούν καταλλήλως τα φορτία σε κάθε μια από τις τέσσερις γωνίες του οχήματος και να εκτιμηθεί δεόντως κάθε ανεξάρτητο σενάριο αστοχίας.Για τον προσδιορισμό κάθε φορτίου καταπόνησης που επιδρά σε κάθε ανεξάρτητο βραχίωνα- μέλος της ανάρτησης ανά πάσα στιγμή , θα πρέπει να λυθεί ένα χωρικό πρόβλημα στατικής ισορροπίας για κάθε εκλεγμένο σενάριο καταπόνησης , καθώς και με την ανάρτηση σε διαφορετικές ακραίες θέσεις , ανάλογα το σενάριο.Λόγω της ανάγκης της επίλυσης του προβλήματος για πολλές επαναλήψεις , και της σχετικής του πολυπλοκότητας , κρίνεται επίσης αναγκαία η δημιουργία αναλυτικού εργαλείου με μορφή κώδικα στο περιβάλλον του Matlab , ώστε να λύνονται οι εξισώσεις ισσοροπίας στο χώρο χωρις κόστος σε χρόνο και δυσκολία. Αφού καθοριστούν τα αναμενόμενα φορτία , ο σχεδιασμός κάθε ανεξάρτητου βραχίωνα της ανάρτησης θα βελτιστοποιηθεί και θα επαναπροσδιοριστεί , μεσώ σχεδιασμού σε κατάλληλο σχεδιαστικό περιβάλλον , κατάλληλο υλικό και μέθοδος κατασκευής θα επιλεγεί και στη συνέχεια ο σχεδιασμός θα πιστοποιηθεί μέσω πλήθους αναλύσεων αστοχίας και κόπωσης με τη χρήση πεπερασμένων στοιχείων.Σε αυτό το σημείο επίσης θα διαστασιολογηθούν καταλλήλως τα επιμέρους στοιχεία μηχανών ,όπως κοχλίες , περικόχλια , έδρανα ολίσθησης και κύλισης και η πορεία στο σχεδιασμό και τυχόν περιορισμοί που πρέπει να ληφθούν υπ’όψιν θα συζητηθούν. Στη συνέχεια , θα ερευνηθούν τα πλεονεκτήματα της χρήσης των συνθέτων υλικών στη συγκεκριμένη εφαρμογή , μέσω του σχεδιασμού της ανάρτησης πλήρως από τέτοια εναλλακτικά υλικά , τα οποία προσφέρουν τεράστιο πλεονέκτημα , λόγω του χαμηλού τους ειδικού βάρους και της αντοχής τους.Θα επανασχεδιαστεί καταλλήλως κάθε βραχίωνας της ανάρτησης , με χρήση των αρχών της Μηχανικής των Συνθέτων Υλικών. Η πολυπλοκότητα και τα μειονεκτήματα κάθε ενδεχόμενης λύσης θα συζητηθούν και επίσης οι σχεδιαστικοί περιορισμοί , οι υποθέσεις και τα οφέλη κάθε πρότασης θα εξηγηθούν. Εν κατακλείδι , αυτή η διατριβή φιλοδοξεί να καλύψει την πλειοψηφία των σχεδιαστικών προκλήσεων και των επιθυμητών χαρακτηριστικών τις οποίες καλείται να υπερκεράσει μια αγωνιστικής φύσεως ανεξάρτητη ανάρτηση ,από δομικής κυρίως πλευράς , και να δώσει προοπτική στο πώς μπορεί να μοιάζει μια πλήρης και τελική υλοποίηση του συγκεκριμένου πολυδιάστατου υποσυστήματος της ανάρτητησης , τόσο από κοινότυπα τεχνικά υλικά , όσο και απο υλικά της αιχμής του δόρατος της επιστήμης των συνθέτων υλικών. 2023-02-15T11:32:46Z 2023-02-15T11:32:46Z 2023-03-07 https://hdl.handle.net/10889/24456 en CC0 1.0 Universal http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ application/pdf