Progetto, ottimizzazione topologica, realizzazione e test al banco di una pinza freno per vettura FSAE

The following thesis work considers the design and bench testing of a brake calliper for Formula SAE cars based on motorcycle callipers. This calliper is made for additive aluminium manufacturing to exploit topological optimization and create complex shapes. First, the study of the pads to be adopted is considered. The preliminary choices of dimensions are made with the aim of making the calliper more compact and depend mainly on the type of pad adopted and the space available inside the rim. As regards the choice of pistons, an analytical study was carried out both with a simplified model and through a finite element model to consider the stiffness of the calliper. Once the ideal position of the pistons and the optimal diameter to ensure correct pad wear have been determined, the optimization block is carried out. First, a study is carried out of the loads exerted on the calliper, which depend not only on the pressure in the system, but also on the mechanics of the tire. Once you know all the boundary conditions and the optimization block, it is performed the calliper optimization on Hypermesh. Once the mesh body was obtained, the CAD model continued to be obtained to have a solid geometry to be able to simulate it on Ansys Workbench. For the checks, two will be performed, one static and one fatigue at the most critical points, at a temperature of 150 degrees. After the design and construction of a prototype, let's move on to the test part on the brake test bench, present at the University of Padua. Two types of tests were performed, one static and one dynamic. The static tests are necessary to ensure the correct functioning of the calliper, verifying the dimensions and any oil leaks. A further test is carried out, applying strain gauges and comparators to the calliper, to validate the finite element model. The dynamic tests were used to verify the temperatures reached on the calliper at critical points. Finally, the calliper was subjected to a fatigue test, reproducing load stories to ensure its operation after 600 km and verify the wear of the pads.

Nel seguente lavoro di tesi si considera la progettazione e test al banco di una pinza freno per vettura Formula SAE basata sulle pinze da moto. Tale pinza è realizzata per additive manufacturing in alluminio in modo da poter sfruttare l’ottimizzazione topologica e realizzare forme complesse. Per prima cosa, si prende in considerazione lo studio delle pastiglie da adottare. Le scelte preliminari di ingombro sono effettuate con l’obbiettivo di rendere la pinza più compatta e dipendono principalmente dal tipo di pastiglia adottato e dallo spazio disponibile all’interno del cerchio. Per quanto riguarda la scelta dei pistoni è stato eseguito uno studio sia analitico con un modello semplificato e sia tramite un modello agli elementi finiti per tener conto della rigidezza della pinza. Determinata la posizione ideale dei pistoni e il diametro ottimale per garantire un’usura corretta della pastiglia, si procede a realizzare il blocco di ottimizzazione. Si attua dapprima uno studio dei carichi esercitati sulla pinza che dipendono non solo dalla pressione nell'impianto, ma anche dalla meccanica dello pneumatico. Una volta noti tutte le condizioni al contorno e il blocco di ottimizzazione si esegue l’ottimizzazione della pinza su Hypermesh. Ottenuto il corpo mesh si è proseguito ad ottenere il modello CAD in modo da avere una geometria solida per poter simularla su Ansys Workbench. Per le verifiche ne saranno eseguite due, una statica e una a fatica nei punti più critici, ad una temperatura di 150 gradi. Finita la parte di progettazione e realizzazione di un prototipo, si passa alla parte di test al banco prova freni, presente in università di Padova. Sono state eseguite due tipologie di prove, una statica e una dinamica. Le prove statiche sono necessarie a garantire il corretto funzionamento della pinza, verificando gli ingombri ed eventuali perdite di olio. Ulteriormente si esegue una prova, applicando estensimetri e comparatori alla pinza, per validare il modello agli elementi finiti. Le prove dinamiche sono servite a verificare le temperature raggiunte sulla pinza nei punti critici. In fine la pinza è stata sottoposta ad una prova a fatica, riproducendo storie di carico per garantire il funzionamento della stessa dopo 600 Km e verificare l'usura delle pastiglie.