Anàlisi i disseny de la suspensió d’un monoplaça de Fórmula 1

Abstract

En aquest Treball de Fi de Grau, s’han marcat com a objectius aconseguir dissenyar un sistema de suspensió seguint les normes establertes per la Federació Internacional de l’Automobilisme capaç de suportar els esforços provinents de les rodes cap a la suspensió interior del monoplaça de la manera més rapida i eficient possible, triant entre 2 geometries diferents. La geometria Push-rod, que fa treballar els elements de la suspensió a compressió i la geometria Pull-rod, que és justament el contrari. La manera de trobar quina de les dues geometries era més eficient a l’hora de suportar els esforços ha estat comparar 2 sistemes, un amb geometria Pull-rod i un altre amb geometria Push-rod, on els elements estructurals d’ambdós sistemes eren idèntics i només canviava el la orientació de l’element que connectava la suspensió exterior amb la suspensió interior. La comparació entre els 2 s’ha fet en base a un càlcul vectorial de les forces que provenien de l’exterior i posant al sistema en situacions en les que es podia trobar el monoplaça a la vida real, com son frenades i passos per corba. Això s’ha fet mitjançant les dades dels acceleròmetres que porten incorporats els monoplaces en tot moment durant la temporada. El resultat d’aquesta comparació ha sigut que el sistema de suspensió més popular entre els equips, el sistema Push-rod. Gestionava bastant millor els esforços provinents de la roda i sobretot en el cas de la frenada, ja que en ambdós casos ha demostrat ser el més perjudicial. Seguidament, el treball s’endinsa en el disseny de la suspensió interior, on es comença dissenyant un sistema de suspensió dins de l’espai disponible a la estructura del monocoque i després s’ha calculat si aquest disseny és vàlid. Un cop s’ha tingut el disseny fet, s’ha procedit al càlcul de les vibracions forçades en el sistema per veure si el sistema que hem dissenyat podia ser sub-esmorteït, ja que un sistema així té una resposta més rapida que un de sobre esmorteït. El resultat del primer càlcul ha donat que el sistema havia de ser si o si, sobre esmorteït, així que s’ha procedit a redissenyar els rockers del sistema, reduint un dels seus braços i tornant a calcular el sistema per segona vegada, aplicant un mètode de prova i error. Aquesta segona vegada, encara que s’han fet 2 variants d’aquest redisseny, s’ha aconseguit que el sistema sigui tal i com es volia, un sistema sub-esmorteït amb una resposta ràpida i amb molt marge per a canvis de set-up del monoplaça. Títol abreujat del projecte Nom de l’autor Resum del projecte (en català o castellà) Pàgina 2 Per acabar, s’ha volgut veure si el sistema Anti-roll del monoplaça, el qual s’ha dissenyat en base a un altre que ja es fa servir en un monoplaça real, té un rendiment adequat, fent que la rotació d’un rocker provoqui el mateix moviment de rotació amb el mateix angle en l’altre rocker. Mitjançant un càlcul cinemàtic del sistema s’ha pogut veure que només s’aconsegueix el 80% del moviment de rotació al rocker contrari, cosa que es conclou que amb un sistema més senzill és fàcil d’arreglar.

In this end on degree thesis, there are some objectives that have been set before starting it. The main objective of this thesis has been the successful design of a Formula One front suspension, but within these objectives there are some others that needed to be fulfilled too. One of them has been that this front suspension had to be able to respond to a disturbance coming from the exterior suspension in a fast manner. Other objectives are the effective comparison between a push-rod and a pull-rod suspension system, and to be able to choose the best option for the design. The Thesis starts by mentioning FIA’s technical regulations for the 2023 season regarding the suspension system and the boundaries that this regulation sets to the design of a Formula One suspension system. After this, the thesis explains the main differences between a pull-rod and a push-rod suspension and then, using vector calculation, we study the effects of different real- life situations that an F1 car may experience in a Grand Prix weekend, like hard braking, cornering and acceleration. All of the data used in this calculation has been extracted from onboard accelerometers that measure the G forces suffered by the car. At the end of the study, the conclusion has been that the Push-rod system is able to deal with the outside forces in a more efficient way, and is the system chosen to develop the suspension design. Following the results of the first study, the focus then changes to the interior suspension design. The main objective is to design a suspension capable of fast responding against outside forces. A way of doing this is finding a value for the shock absorber’s resistance that suits this fast response capability using the forced vibration study method. During this procedure, it has come to realise that the rocker used in the design did not suit the objectives set, so a redesign was needed to fulfil these objectives. The design of an Anti-roll system has been present in this thesis so a study of its correct functionality was needed. The design was based on a real-life design made by Mercedes AMG Petronas F1 Team, but the design I made has shown not to be optimal as the rotation of one rocker only makes the other rotate an 80% that of the first one. This means that this system won’t make the car totally stable during corners, so an upgrade is needed.