DISEÑO DE MANGUETAS DELANTERAS DE UN MINI FÓRMULA 1

Abstract

Este trabajo de fin de grado es la contribución individual a un proyecto en equipo formado por 18 estudiantes de ingeniería que diseñan, fabrican y construyen un prototipo de Fórmula SAE para participar en la competición de Formula Student UK. Las manguetas son partes esenciales de cualquier automóvil, ya que unen las ruedas a la suspensión. El principal objetivo a la hora de diseñarlas es conseguir que sean ligeras, resistentes y reducir las complejidades de su diseño para que tengan una fabricación simple y económica. Se comienza el proceso de diseño determinando las restricciones geométricas de las manguetas, intrínsecamente relacionadas con la geometría de la suspensión y las dimensiones de las llantas. Es por esta razón que, se ha realizado un estudio de los ángulos de lanzamiento y la inclinación KPI, teniendo en cuenta los valores utilizados por el equipo en años anteriores. En el desarrollo del diseño se han calculado las fuerzas máximas que soporta la mangueta durante el uso del coche para posteriormente verificar su resistencia y optimizarlas. En esta optimización se va eliminando o añadiendo material de la geometría base de la mangueta, según los resultados del análisis por elementos finitos (utilizando como software Ansys Workbench) para conseguir la mínima masa con máxima resistencia, manteniendo un coeficiente de seguridad mínimo de 2.0. Además de la optimización, se han diseñado las manguetas teniendo en cuenta las piezas que las rodean realizando un ensamblaje en CAD y comprobando que todo encaje a la perfección. Se ha seleccionado el modelo de rodamiento adecuado, siendo un rodamiento de bolas de contacto angular, ya que soporta bien las fuerzas axiales (además de radiales) provocadas cuando el coche está en curva y sufre grandes esfuerzos laterales. Como material de las manguetas se ha escogido el Aluminio 7075 T6 tras un estudio de las aleaciones disponibles en el mercado. Para la fabricación se ha utilizado el método de electro-erosión por hilo para la forma exterior y fresadoras CNC para detalles, vaciados y orificios.

This dissertation is the individual contribution to a team project composed of 18 engineering students who design, manufacture and build a prototype of Formula SAE to participate in the Formula Student UK competition. Uprights are essential parts of any vehicle as they connect the wheels to the suspension. The main objective when designing them is to make them light, resistant and reduce the complexities of their design to reduce the manufacturing processes. The design process begins by determining the geometric restrictions of the knuckles, intrinsically related to the geometry of the suspension and the dimensions of the rims. It is for this reason that a study of launch angles and KPI inclination has been carried out, taking into account the values used by the team in previous years. In the design development, the maximum forces that the front upright withstands during the use of the car have been calculated to later verify its resistance and optimize them. In this optimization process, the base geometry of the upright has material removed or added, according to the results of the finite element analysis (using Ansys Workbench software) to achieve the minimum mass with maximum resistance, maintaining a minimum safety factor of 2.0. In addition to optimization, the uprights have been designed taking into account the parts that surround them, carrying out an assembly in CAD and checking that everything fits perfectly. The appropriate bearing model has been selected, being an angular contact ball bearing, since it withstands well the axial (as well as radial) forces caused when the car is cornering and the lateral loads are at their maximum. The material chosen for the uprights is Aluminium 7075 T6 alloy. For the manufacturing, the wire eroder has been used for the external shape and CNC milling machines for details and holes.