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Für die Zukunft junger Ingenieure Chassis Design Space Frame 2009 Ronald Müller Gesamtfahrzeugleit r Rennteam Uni Stuttgart

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Page 1: Für die Zukunft junger Ingenieure Chassis Design Space Frame 2009 Ronald Müller Gesamtfahrzeugleiter Rennteam Uni Stuttgart

Für die Zukunft junger Ingenieure

Chassis Design Space Frame

2009

Ronald MüllerGesamtfahrzeugleiterRennteam Uni Stuttgart

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Für die Zukunft junger Ingenieure

Basics Rules and Rule Changes Concept Design Manufacturing

Table of Contents

Page 3: Für die Zukunft junger Ingenieure Chassis Design Space Frame 2009 Ronald Müller Gesamtfahrzeugleiter Rennteam Uni Stuttgart

Für die Zukunft junger Ingenieure

What is the frame? Connects all parts of the car

Accommodates the driver

What are the requirements? Needs to be lightweight and stiff

Easy to manufacture

Low in cost

Basics

Page 4: Für die Zukunft junger Ingenieure Chassis Design Space Frame 2009 Ronald Müller Gesamtfahrzeugleiter Rennteam Uni Stuttgart

Für die Zukunft junger Ingenieure

Why a space frame? Ideal for first year teams

Load paths are easy to spot

Manufacturing facilities are easy to find

Material is cheap

Basics

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Für die Zukunft junger Ingenieure

NOW YOU KNOW:

The frame connects all parts of the car.

It defines - together with the seat - the ergonomics of the driver

It needs to be stiff and lightweight

And the good news is:

There is help! So you don't have to start from scratch:

THE RULES!

Rules & Rule Changes

Page 6: Für die Zukunft junger Ingenieure Chassis Design Space Frame 2009 Ronald Müller Gesamtfahrzeugleiter Rennteam Uni Stuttgart

Für die Zukunft junger Ingenieure

The Rules define the most important tubes:

Steel tubing for front and main roll hoops

Main and front hoop bracing

Side impact structure

These make up the backbone of the front and middle of the frame.

New this year:

They also define the dimensions of the cockpit:

THE TEMPLATES

Rules & Rule Changes

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Für die Zukunft junger Ingenieure

Formula One TemplatesRules & Rule Changes

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Für die Zukunft junger Ingenieure

4.1 Cockpit Opening

4.1.1 In order to ensure that the opening giving access to the cockpit is of adequate size, a template shown in Figure 8 will be inserted into the cockpit opening. It will be held horizontally and inserted vertically until it has passed below the top bar of the Side Impact Structure (or until it is 350 mm above the ground for monocoque cars).

4.1.2 During this test, the steering wheel, steering column, seat and all padding may be removed.

Rules & Rule Changes

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Für die Zukunft junger Ingenieure

Rules & Rule Changes 4.1 Cockpit Opening - Dimensions

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Für die Zukunft junger Ingenieure

4.2 Cockpit Internal Cross Section:

4.2.1 A free vertical cross section, which allows the template shown in Figure 9 to be passed horizontally through the cockpit to a point 100 mm (4 inches) rearwards of the face of the rearmost pedal when in the inoperative position, must be maintained over its entire length.

4.2.2 The only things that may encroach on this area are the steering wheel, steering column and any padding that is required by Rule 5.7 “Driver’s Leg Protection”.

4.2.3 For 2009, teams whose cars do not comply with 4.1 or 4.2 will have 35 points deducted from their Design Event score.

Rules & Rule Changes

Page 11: Für die Zukunft junger Ingenieure Chassis Design Space Frame 2009 Ronald Müller Gesamtfahrzeugleiter Rennteam Uni Stuttgart

Für die Zukunft junger Ingenieure

Rules & Rule Changes 4.1 Cockpit Internal Cross Section - Dimensions

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Für die Zukunft junger Ingenieure

NOW YOU KNOW:

You know the basics and the rules to obey

Many tube dimensions and positions are given

The size of the drivers compartment is defined by the templates

Now let's have a closer look at one possibility for designing your space frame.

Rules & Rule Changes

Page 13: Für die Zukunft junger Ingenieure Chassis Design Space Frame 2009 Ronald Müller Gesamtfahrzeugleiter Rennteam Uni Stuttgart

Für die Zukunft junger Ingenieure

Time Schedule

Mockup

Improve CAD-Model

&Suspension

Load Cases&

Simple FEA

CONCEPT DESIGN MANUFACTURING

Improve CAD-Model

&Suspension

First CAD-Model

Coordinating/Modification of CAD, Suspension & Mockup

Improve CAD-Model

&Suspension

Detailed FEA

OrderMaterial!

READ THERULES!

Tires&

Suspension

Assembly of the car cannot start until

the frame is finished!

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Für die Zukunft junger Ingenieure

Ergonomic Research

Get measurements of potential drivers in the team

First draft of driver position, with engine and wheelbase (location of the tires) in place

Concept

Page 15: Für die Zukunft junger Ingenieure Chassis Design Space Frame 2009 Ronald Müller Gesamtfahrzeugleiter Rennteam Uni Stuttgart

Für die Zukunft junger Ingenieure

First CAD-Model CAD-Model considering rules and available space

Make yourself placeholders to clarify the design envelope

Concept

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Für die Zukunft junger Ingenieure

Mockup: Aim: define the major dimensions of the

frame

Build the first mockup as soon as possible

Make yourself hardcopies of the templates and Percy

Put the improvements back in CAD

Interfaces with the suspension team

Concept

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Für die Zukunft junger Ingenieure

Mockup:Concept

Page 18: Für die Zukunft junger Ingenieure Chassis Design Space Frame 2009 Ronald Müller Gesamtfahrzeugleiter Rennteam Uni Stuttgart

Für die Zukunft junger Ingenieure

Load cases & Simple FEA Breaking, Acceleration, Cornering

Beam/Truss Model

→ Best way to optimize weight & stiffness

Concept & Design

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Für die Zukunft junger Ingenieure

Use triangulations to avoid squares

Design

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Für die Zukunft junger Ingenieure

Load initiation in nodes to prevent bending

Design

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Für die Zukunft junger Ingenieure

Design

OD ID WT I CS

12 10 1 527 34,558

12,7 10,9 0,9 578,46 32,987

Try to use big outer diameters and thin wall thickness (min. for welding 0.8mm)

+10% bending stiffness

-5% weight

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Für die Zukunft junger Ingenieure

Design

OD ID WT I CS

25 20 2,5 11320,78 176,72

25,4 20,6 2,4 11591,99 173,42

30 26 2 17329,03 175,93

Try to get as close to the minimum requirements as possible

You cannot reduce weight as CS is prescribed

Think about imperial tube sizes

+53% bending stiffness

e.g.: Mainhoop: Wall thickness ≥ 2mm

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Für die Zukunft junger Ingenieure

Try to lay the dampers parallel to tubes

Design

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Für die Zukunft junger Ingenieure

Material Stiffness cannot be improved by using alloyed steel!

Still it might be sensible to use alloyed steel for security relevant structures (cockpit, suspension)

Heat treatment:

It is definitively better to do it (Design)

Do it locally to prevent huge distortion

Welding

TIG!

Bending

Use heat treated tubes for bending

Design

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Für die Zukunft junger Ingenieure

Design

St37(1.0116)

25CrMo4(1.7218)

15CDV6(1.7765)

Price +++ + -

Welding

+ ++ +++

Safety

o ++ +++

Choice

+ ++ +

Material

Wishbones, Suspension

Front Vehicle, Cockpit

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Für die Zukunft junger Ingenieure

Order tubes early

Laser cut the ends or grind with paper shape

Manufacturing

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Für die Zukunft junger Ingenieure

Take your time to adjust the tubes properly before welding

Manufacturing

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Für die Zukunft junger Ingenieure

05. – 09. August 2009

See you in Hockenheim 2009