Sisendite loomine FEST23 võistlussõiduki projekteerimiseks

Lõputöö käigus käsitleti tudengivormeli FEST23 konseptsiooni ning disaini ellu viimiseks vajalike sisendite loomist. Formula Student sarja reeglitele vastavalt valminud võistlussõiduki osadest puudutati dünaamika, komposiidi ning vedrustuse projekteerimise protsessi. Kvaliteetsete algandmete kogumi loomiseks analüüsiti eelneva hooaja võistlustel läbitud sõidualade logisid. Andmete kogumisel lähtuti info vajalikusest ning andurite olemasolust auto küljes. Hulga erinevate parameetrite vaatluse käigus tekkis arusaam töövahemikest, milles vormel viibib ning milline on nende varieerumine erinevate alade vahel. Kogutud info oli uue hooaja eesmärkide ning potentsiaalsete parendamiste aluseks. Arendustöö käigus oli autoril osa ringiaja simulatsiooni loomisest, mille abil määratleti varasemast täpsemalt sõiduki sensitiivsused erinevatele parameetritele nagu mass või massikeskme kõrgus. Loodud programmi ning töö koostamiseks kogutud teadmisi kasutati konseptsiooniperioodi jooksul kogu sõiduki suunitluse juhtimiseks. FEST23 defineerivad otsused, nagu keskendumine aerodünaamikapaketi tootlikusele ja kinemaatika optimeerimine tehti just tänu nendele teadmistele. Eelmise hooaja infot analüüsides tekkinud trendide baasil loodi uudne disainimetoodika, mis on aluseks kogu peatükkides 3 ning 4 tehtud arendustööle. Metoodika defineerib otsus optimeerida sõidukit spetsiifilistele ning enim esinevatele rajaoludele. Selle kasutamine käesoleval hooajal ning tulevikus annab meeskonnale võimaluse konstrueerida enda potentsiaali maksimumi lähedaselt ära kasutav vormel, tulemuseks suurem edu tõenäosus võistlustel. Dünaamika peatükis puudutatakse esmalt kiire sõiduki definitsiooni ning erinevaid protsessi toetavaid tegevusi nagu QSS mudeli loomine ning kere optimaalse väändejäikuse arvutus. Mahukalt kirjeldatakse autori ja kolleegide töö tulemusena kogu disainimise protsessi sisse viidud rehvigraafikute ning nendest tulenevate sensitiivsuste arvestamist vormeli loomisel. Seletatud on rehvi valiku protsess uue sõiduki tarbeks. Kinemaatika puhul tuleb juttu metoodilise lähenemise kasutamisest ning saavutatud edasiminekutest esi- ning tagasilla puhul. Tulemuseks on skidpad-is 60% väiksem külgkalde variatsioon esisillas ning rullumisel nullilähedane muutus tagasillas. Tänu 3D skännide läbiviimisele oli võimalik suurendada aerodünaamika analüüside täpsust. Spetsiifilistele rajaoludele oli aerodünaamikat võimalik kohaldada tänu baasanalüüside sisendite loomisele ning rajapõhise balansiteooria loomisele. Vedrustuse LEM analüüside läbiviimise täpsust tõsteti sisendjõudude arvutamise kvaliteedi paranemise läbi. Tõstatatud probleem jõudude leidmise metoodika osas leidis lahenduse Optimum Kinematics forces module abil. Tegemist on mooduliga mis suudab rehvide kontaktpunkti mõjuvate jõudude abil arvutada igale vedrustusele komponendile mõjuvad koormused. Sisendina kasutame lihtsustatud rehvimudelit, mis vastavalt siirdenurkadele ja vertikaalkoormustele leiab eelmise hooaja võistlusalade spetsiifilised sisendid. Projekteetritud ning valminud vormeli vedrustuse paiknemist ruumis on varasemast täpsemini võimalik kontrollida loodud sillastendi abil. Majanduslikus osas võetakse kokku lõputöö raames panustatud tundide jaotus ning maksumus. Kokku kulus autoril 2310 töötundi, mis on võrdeline 90 160,9 eurose maksumusega.

Throughout the thesis inputs for the FEST23 formula student car concept and design were discussed. Vehicle dynamics, composites and suspension designing of the vehicle was covered in the chapters.
To gather high quality data all of the previous seasons dynamic disciplines were analyzed. The results were compiled with usefulness and sensor capability in mind. A large variety of available parameters were involved to get a grips of the working ranges and variation between them within different venues experienced last year. The dataset results were one of the primary criteria considered when looking at possible goals and advancements. The concept development phase gave birth to a self-developed lap time simulations, where the author was a part of its creation. The tool was used to define vehicle sensitivities to different parameters, such as mass of CoG height, more accurately than has been done before. Created programs and gathered knowledge were used to guide FEST23 through its concept phase. Definitive decisions such as heavily focusing on aerodynamic development and suspension kinematics optimization were done through them. A new design methodology was created on the basis of the trends risen by analyzing the information of the previous season, which is used for all the development work done in chapters 3 and 4. The methodology defines the decision to optimize the vehicle for specific and most common track conditions. Its use in the current season and in the future, gives the team the opportunity to construct a formula car which utilizes most of its theoretical potential, resulting in a higher probability of success in competitions. The dynamics chapter first touches on the definition of a fast vehicle and the various processes supporting activities such as the creation of a QSS model and the calculation of the optimal torsional stiffness of the chassis. As a result of the work done by the author and colleagues tire data was implemented into the entire design process. consideration of tire graphs and resulting sensitivities were taken into account when creating the formula car. The tire selection process is also explained. Kinematics design with the methodology put place in chapter 2 resulted in quite a few significant breakthroughs. The result on the skidpad is 60% less camber variation in the front axle and almost zero change through a rolling motion in the rear axle. By performing 3D scans, it was possible to increase the accuracy of aerodynamic analyses. Thanks to vehicle and track specific simulations a new balance theory was put into place. The accuracy of performing FEM analyzes of the suspension was increased using a more accurate method of calculating the input forces. the problem of calculation precisness raised regarding the methodology of finding forces was solved using the Optimum Kinematics forces module. It is a module that can use tire contact patch forces to calculate the loads acting on each suspension component. As an input we use a simplified tire model that, according to the slip angles and vertical loads, finds the previous season specific inputs from different competitions and disciplines. Once the vehicle has been built wheel angles and movement curves can be measured and validated more quickly and accurately than ever before using a alignment rig created by the author. The economic part summarizes the distribution of the hours spent within the thesis and the cost. As a result 2310 manhours and a theoretical 90 160,9 euros were spent.