Formula Student klassi võistlusauto FEST19 roolisüsteemi projekteerimine

Lõputöö käigus projekteeriti opereeriv roolisüsteem Formula Student klassi võistlussõidukile FEST19, mis vastab Formula Student Germany 2019 ja Formula SAE 2019 reeglitele. Roolisüsteem projekteeriti võttes arvesse eelnevatel aastatel tehtud Formula Student Team Tallinn roolisüsteemide disaine ja puudujääke. Roolisüsteem projekteeriti roolilattsüsteemi lahendusele. Projekteerimise aluseks määrati rooliratta ja roolilati asukoht ja liikumisulatused, mille järgi tehti kogu ülejäänud süsteem. Tugevusanalüüsides jälgiti kriitiliselt läbipainde väärtusi. Roolilati läbipaindes saavutati eelneva aastaga võrreldes 0,1 mm väiksem läbipaine rooliotsale – lõpptulemusena 0,05 mm, kui roolivardast rakendatakse jõud 1800 N. Selleks projekteeriti uue ülesehitusega roolilatt koos korpusega. Suurendati roolilati diameetrit 25 mm-ni. Roolilati materjaliks valiti Alumec 89, millele on liimliitega ühendatud lineaarlaagri alused hülsid kulumise vähendamiseks. Läbipainet vähendati ka roolisambas, kus süsinikkiust toru kasutuselevõtuga terase asmel vähenes väändele läbipaine 0,17 mm pealt 0,05 millimeetrini. Läbipainde vähendamine oli väljund parendamaks sõidukijuhi roolitunnetust. Roolisüsteemi tootmistäpsuse parendamiseks tehti roolilati korpus mitmest eraldiseisvast detailist, mis kaotab ära tootmise käigus tekkivad deformatsioonid või ebatäpsused. Lineaarlaagri korpused toodetakse väga hästi lõiketöödeldavast materjalist Alumec 89 ning sisendhammasratta korpus toodetakse läbi kiirprototüüpimise. Roolisamba kinnituskorpus tehti süsinikkiust detailidest arvestades tootmise eripärasi ja kasutades võimalikult lihtsaid üksikdetaile, mille järgi tehakse täpsed tootmisvormid. 71 Roolisüsteemi mass paratamatult suurenes eelneva aastaga võrreldes, kuid massikasv oli kõige märgatavam roolilati osas 74,5 g. Sõiduki tasandil on selline massivahe märkamatu, kuid selle arvelt suudeti mitme kordselt vähendada läbipainet erinevates sõlmedes. Roolilati koostus on kaks lineaarlaagrit ja hammasülekanne, mis vajavad hooldust ja tahke määrdega määrimist. Lisaks tootmislihtsusele annab kolmeosaline roolilati korpus ka lihtsama ligipaasu eelnimetatud detailidele ja hooldusele kuluv aeg väheneb. Hammasülekande projekteerimisel lähtuti momendist 16,2 Nm. Projekteeriti mooduliga 1 ülekanne 15NiCr13 terasest, mis optimeeriti suurimaks vastupanuks kontaktväsimusele varuteguriga 1,74. Hammasülekande tööd on võimalik kontrollida ilma süsteemi demonteerimata, mistõttu saab probleemide tekkimisel lihtsamini neid kontrollida ja parandada, mis võib ära hoida detailide purunemise või liigse kulumise.

Formula student is an international design competition for bachelor and master students. A team of students design and manufacture a vehicle which follows competitions rules and criteria. During the competitions not only speed but design, innovation and knowledge of the students, the goal being to give engineering practice to students. Students and teams compete against each other in competitions all around the world. As a result of this thesis an operating steering system was designed for Formula Student class electric vehicle FEST19 designed by Formula Student Team Tallinn. FEST19 is an all-wheel drive electric formula-style vehicle with a length of 2 meters and width of 1,5 meters with carbon monocoque and an aerodynamic package. In the making of thesis, translational displacement of every detail was the main priority as it is the source of a good feedback for the driver. A displacement of 0,05 mm was achieved on steering rack on tie rod forces up to 1800 N, which exceeds last year’s model by 0,1 mm. This was achieved by introducing a new steering rack design along with steering rack and pinion housing. The diameter of the rack was increased from 20 mm to 25 mm. Pinion and rack gears were designed to withstand generated torque of 16,2 Nm by using module 1 gears with profile shifted pinion made from heat treated 15NiCr13. Steering rack housing was made of three parts – two linear ball bearing housings and pinion housing to give easy access for regular checks and maintenance. 73 Carbon fibre reinforced polymer solutions were used in the steering column to reduce weight and increase rigidity. High modulus CFRP tube in the steering column increased the stiffness by over 200% over steel equivalent without gaining mass – 0,17 mm deflection reduced to 0,05 mm. CFRP solutions in the steering column housing brackets and the use of steering rack housing made of three small details increased the precision and ease of manufacturing.