Design of the rear suspensions of a Formula Renault race car

SVILUPPO MODELLO

Per il nostro progetto, abbiamo modellato un sistema sospensivo di tipo Push Rod a doppi triangoli sovrapposti: si tratta di un cinematismo che non permettendo ampie escursioni, garantisce una tenuta di strada eccellente, consentendo buoni valori di recupero di campanatura. Nel push rod l’ammortizzatore non è collegato direttamente al mozzo della ruota o ad un braccio oscillante, ma è costituita da due triangoli sovrapposti che sorreggono alla loro estremità esterna il porta mozzo della ruota. Dalla parte inferiore del porta mozzo parte un asse (detto push rod) collegato ad un bilanciere ( detto rocker ) nel quale è incernierato il gruppo ammortizzatore-molla.

Parametro fondamentale per definire la cinematica di un gruppo sospensioni è la posizione del centro di rollio; questo è il centro di istantanea rotazione attorno al quale la massa sospesa compie la propria rotazione. La distanza tra esso ed il centro di massa della vettura è il braccio della forza causata dall’accelerazione laterale che genera il momento di rollio del corpo vettura. Il cinematismo delle sospensioni costituito dai due triangoli e dal push rod ha un grado di libertà che consiste nell’escursione della sospensione stessa.

Questo movimento viene collegato al gruppo molla-smorzatore attraverso l’utilizzo di un rocker, che consente di posizionare l’ammortizzatore, non allineato al push-rod stesso, ma in una direzione più conveniente per agevolare il packaging della vettura.

Questo tipo di soluzione è abbastanza comune nelle macchine da competizione, principalmente per i seguenti motivi:

 

  •   permette di montare il gruppo molla-smorzatore, di peso non indifferente, a bordo vettura, riducendo così le masse non sospese.
  •    I vettori delle forze sono orientati in modo più simile al puntone, traducendosi in minori forze di reazione vincolare sui bracci.

BARRA ANTIROLLIO

E’ un dispositivo che contrasta il rollio della vettura e consiste in una barra di torsione collegata ai cinematismi delle sospensioni destra e sinistra. In condizioni di rollio della vettura avviene una differente compressione di una delle due sospensioni che porta ad una torsione della barra, la quale reagisce con una forza che va a contrastare il fenomeno del rollio.

La rigidezza della barra di torsione e i leveraggi che applicano il momento torcente definiscono la quantità di “rigidezza a rollio” conferita dalla barra all’assale in questione, caratteristica fondamentale in sede di progettazione.
Il cinematismo di anti rollio è stato realizzato collegando la barra ai due rocker, per mezzo di due boccole che trasferiscono il moto delle sospensioni alla barra stessa.

SVILUPPO DEL MODELLO TRAMITE VIRTUAL LAB

Per la realizzazione del veicolo e del sistema di sospensione si procede alla modellazione in ambiente LMS Virtual Lab, che ci ha permesso una progettazione in varie fasi grazie all’utilizzo dei sottomeccanismi. Vengono dapprima modellati i cinematismi delle due sospensioni posteriori, destra e sinistra, in maniera del tutto speculare. Questa parte è stata la più rilevante del progetto, in quanto abbiamo dovuto effettuare le giuste scelte degli elementi costruttivi e dei tipi di giunti per ottenere un modello che rappresentasse al meglio il meccanismo reale.Viene in seguito costruito un programma di analisi, nel quale sono stati modellati gli pneumatici, la strada e il telaio della macchina, al quale sono state aggiunti i sottomeccanismi delle sospensioni costruiti precedentemente.

Il modello delle sospensioni, realizzato secondo lo schema costruttivo Push rod, così come le caratteristiche costruttive del telaio e degli pneumatici, non prevedono quote e misure fisse bensì sono state realizzate in maniera parametrica. Tale peculiarità ci permette di testare e variare le configurazioni del cinematismo e le dimensioni dei diversi elementi costruttivi a seconda delle esigenze e delle performance che si vogliono ottenere. L’utilizzo dei parametri deve però essere fatto in modo accurato, in modo da poter effettuare l’assemblaggio del meccanismo senza alcun errore. Parte importante del lavoro è stato quello di determinare i valori realistici che ci permettessero il perfetto assemblaggio del meccanismo e che consentissero il giusto funzionamento delle sospensioni, in modo tale da soddisfare le caratteristiche del progetto rendendolo più realistico possibile. Vengono di seguito riportate le immagini del modello multibody e la descrizione dei principali componenti utilizzati.

Gli elementi più complessi del sistema, come le forze elastiche e torcenti e le forze tra strada e pneumatici, vengono inseriti nell’analisi attraverso l’utilizzo di modelli offerti dal sistema di sviluppo Virtual Lab. Tali componenti sono:

GRUPPO AMMORTIZZATORE-MOLLA

Per simulare il comportamento del gruppo ammortizzatore-molla viene utilizzato in VirtualLab il componente TSDA (Translational Spring Damper Actuator), che definisce una forza elastica tra due corpi. L’utilizzo delle costanti di rigidezza, smorzamento e lunghezza a riposo definiscono l’elemento che genera tale forza tra i due punti specificati.

PNEUMATICO

Per generare la forza di contatto tra pneumatico e strada viene utilizzato l’elemento messo a disposizione dal toolbox di Virtual Lab : “Simple Tire”. Le forze che vengono prese in considerazione sono quelle laterali, normali e longitudinali.

Parametri fondamentali per la nostra analisi sono il raggio delle ruote, la costante di smorzamento elastico, il coefficente di attrito tra lo pneumatico e la strada e la rigidezza in curva.

BARRA DI TORSIONE

Per definire una barra di torsione, utilizzata per la modellizzazione della barra anti rollio, viene utilizzato il componente RSDA (Rotational Spring Damper Actuator). I parametri principali di tale oggetto sono la rigidezza, lo smorzamento e il valore di attuazione della coppia. Inoltre la coppia torcente e di smorzamento vengono calcolate attraverso l’utilizzo di un coefficiente costante. Per chiarire il funzionamento della barra anti rollio viene mostrato un video nel quale la vettura esegue una chicane così da osservare lo spostamento in entrambi i sensi della barra.

Funzionamento barra anti rollio

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