Eftersom bladfjädrar går att konstruera på många olika sätt är ett tänkbart alternativ till en klassisk skruvfjäder att ersätta den undre A-armen mot en bladfjäder som både fjädrar i höjdled och är styv som en A-arm i sidled. Detta gör att det går att spara vikt jämfört med att använda skruvfjädrar.
Bladfjädern kan med fördel tillverkas i glasfiberkomposit för att spara vikt. Den bör ha en avtagande tjocklek för att spänningarna ska jämnas ut och genom att justera fästena till bladfjädern går det att variera dess hårdhet. Stötdämparen kan antingen vara enbart en dämpare, till exempel en konventionell cykelstötdämpare där skruvfjädern plockats bort eller en luftfjäderstötdämpare.
Fördelen med att använda en ren dämpare är att dessa oftast har fler inställningsmöjligheter och tenderar att vara av mer robust karaktär. En tänkbar sådan stötdämpare skulle kunna vara Cane Creek Double Barrel (Se bilaga 2) som bygger på Öhlins mest avancerade racingdämpare TTX40.
Nackdelen med Double Barrelen är att priset är mycket högt, omkring 6000 kr. Där går dock både hög- och lågfartskompression och -retur att justera. Frågan är dock om den ökade justerbarheten är värd pengarna.
Om istället en luftfjäderstötdämpare används kan fördelarna från både bladfjädern och luftfjädern kombineras. Bladfjädern kan byggas vekare och istället ersätter luftfjädern den extra fjäderstyvheten som saknas. Detta innebär att justeringar för fjäderstyvheten blir betydligt lättare än om endast bladfjädern kan justeras. Luftfjäderdämpare är också oftast lättare än konventionella dämpare utan fjäder. Nackdelen är att inställningsmöjligheterna oftast är mindre på dessa typer av stötdämpare. Tänkbara modeller är desamma som för cykelstötdämparkonceptet.
I figurerna 32 och 33 nedan visas två bilder på hur bladfjäderkonceptet kan se ut. Den första bilden visar hur bladfjädern integreras i konstruktionen och den andra visar hur länkaget till stötdämparen beter sig när hjulet fjädras upp. Varianten på stötdämparlänkage är dock inget som ska tas för exakt eftersom inga beräkningar eller modelleringar på utväxling har gjorts. Dessutom ställer denna typ av dämparinfästning till problem ur krängningssynpunkt eftersom det blir svårt att montera krängningshämmare.
Figur 32. Principbild över bladfjäderkonceptet
Figur 33. Bladfjädern hoptryckt
6 Slutsats
Av de resultat och analyser som gjorts framgår att de intressanta fjädertyperna är skruvfjädrar, bladfjädrar och gasfjädrar. Både tallriksfjädrar och torsionsstavar väger för mycket. Skruvfjädrar är väl beprövade och är det mest säkra alternativet eftersom det idag används i stor utsträckning som fjäderelement i stötdämpare.
Gasfjäderstötdämpare kan byggas mycket lätta och är relativt billiga. För omkring 1500 kr kan en cykelstötdämpare med luftfjäder och med vissa justeringsmöjligheter köpas in. Nackdelen med dessa är att de inte är lika beprövade som cykelstötdämpare med skruvfjäder inom Formula Student.
Att använda cykelstötdämpare fungerar eftersom krafterna de utsätts för i formelbilen inte är värre än vad de är designade för att klara på en cykel. De är dessutom avsevärt lättare än stötdämpare från bilindustrin. De cykelstötdämpare som bör passa KTH Racing är RockShox Ario 2.1, Cane Creek AD-12 och DT Swiss SSD Carbon.
Om många inställningsmöjligheter är ett krav är inte en cykelstötdämpare med luftfjäder att föredra.
Det är då bättre att använda en cykelstötdämpare med skruvfjäder i titan, till exempel en Cane Creek Double Barrel som har hög- och lågfartskompression och -retur.
Konceptet med en integrerad bladfjäder som tagits fram kan vara aktuell om nyskapande tekniska lösningar efterfrågas, men ur vikt- och arbetssynpunkt är det troligen mer lönt att använda tidigare, beprövade metoder.
7 Rekommendation
KTH Racing använder i år (2007) för första gången luftfjäderstötdämpare. Om det visar sig att dessa fungerar bra finns ingen större anledning att gå vidare med bladfjäderkonceptet såvida inte den tekniska betydelsen av att konstruera en egen lösning på hjulupphängningen väger tungt. Istället rekommenderas då att undersöka de valda cykelstötdämparna noggrannare.
Skulle det däremot visa sig att det inte fungerar tillfredställande med luftfjäderstötdämpare kan bladfjäderkonceptet vara en möjlighet för att lösa problemet. Om KTH Racing väljer att gå vidare med bladfjäderkonceptet måste noggranna siffror på de krafter som verkar på A-armarna användas.
Det bör också göras beräkningar på utmattning då detta är ett problem i fjädrar. Exakta mått på A-armar och infästningspunkter behöver användas för att kunna göra korrekta dimensioneringar.
8 Tack
Vi skulle vilja tacka följande personer som varit en stor tillgång under projektets gång:
Lars Wallentin, handledare, som hjälpt oss med vägledning och kommit med synpunkter på arbetsmetoder och resultat.
Lars Jansson på Öhlins gav oss en insyn i hur företaget arbetar och han gav oss svar på många frågor kring fjädrar och stötdämpare.
Johan Svensson och Jon Myhr Wahlén, KTH Racing, som berättat mycket om hur teamet arbetar, hur deras olika stötdämpare har fungerat och hur bilen fungerar.
Erik Ladufjäll som lånat ut sin CAD-modell på en stötdämpare och som också har varit ett bra bollplank under projektets gång.
Fred Nilsson vid institutionen för Hållfasthet som har hjälpt oss med materialfrågor.
Kjell Andersson som hjälpt oss med ADAMS-modellering. Vi valde dock senare att ersätta ADAMS-modellen med ett MATLAB-program.
9 Referenser
1. Samtal med Lars Jansson, Öhlins, Stockholm 2007
2. Samtal med Johan Svensson och Jon Myhr Wahlén, KTH Racing, Stockholm 2007 3. Wolf, Peter, Fjäderhandboken, Lesjöfors AB, Karlstad, 1990
4. Maskinelement Handbok, 2005 års upplaga, första tryckningen, Institutionen för Maskinkonstruktion, KTH, Stockholm, 2005
5. Sundström, Bengt mfl., Handbok och formelsamling i Hållfasthetslära, 1999 års upplaga, andra tryckningen, Institutionen för Hållfasthetslära, KTH, Stockholm, 1998
6. MATLAB, version R2006b, The MathWorks Inc., 24 Prime Park Way, Natick, MA 01760-1500.
7. Solid Edge, version 18, UGS, 5800 Granite Parkway, Suite 600, Plano, TX 75024, USA
8. ANSYS Workbench version 10, ANSYS, Inc., Southpointe, 275 Technology Drive, Canonsburg, PA 15317
9. Samtal med Fred Nilsson, institutionen för Hållfasthetslära, KTH, Stockholm 2007 angående skjuvgräns för titanlegeringen TIMETAL® LCB, Stainless Steel World
http://www.stainless-steel-world.net/titanium/ShowPage.aspx?pageID=180 (2 maj 2007)
10. How stuff works, How car suspensions work
http://auto.howstuffworks.com/car-suspension.htm (2 maj 2007) 11. Formula Student Germany, Pat’s Corner: Dampers (Shock absorbers)
http://www.formulastudent.de/advice/pats-corner/advice-details/article/dampers-shock-absorbers/ (2 maj 2007)
12. Wikipedia, Damping
http://en.wikipedia.org/wiki/Damping (2 maj 2007)
13. Michigan Technological University, Strength of Aligned Continuous Fibre Composites, http://www.mse.mtu.edu/~drjohn/my4150/class3/class3.html (2 maj 2007)
14. Lesjöfors produktkatalog, Tallriksfjädrar,
http://catalog.lesjoforsab.com/catalog/stockspring/1/114-125.pdf (2 maj 2007) 15. Going into shocks. (2005, 3 februari). Machine Design, s 49
16. 3D-modell skapad av Erik Ladufjäll, teknolog Maskinkonstruktion, KTH, Stockholm.
Figurer använda med tillåtelse.
17. Gizmag, Audi's new magnetic semi-active suspension system http://www.gizmag.co.uk/go/5752/ (2 maj 2007)
18. Bose United States, Bose suspension system
http://www.bose.com/controller?event=VIEW_STATIC_PAGE_EVENT&url=/learning/projec t_sound/suspension_challenge.jsp (2 maj 2007)