Projeto de uma caixa de direção para um veículo de competição de Fórmula SAE

Abstract

Veículos de competição necessitam de uma constante busca por melhorias de projeto utilizando novos materiais, técnicas de manufatura e métodos de análise computacional de forma a se manterem competitivos. Um dos componentes estruturais mais importantes do ponto de vista de segurança, e que normalmente é superdimensionado, é a caixa de direção. Assim, o principal objetivo deste trabalho é projetar uma caixa de direção para um veículo de competição Fórmula SAE. Para isso, pretende-se explorar duas abordagens: a primeira, baseada em uma proposta de geometria inicial validada mediante análise de tensões, e a segunda, uma abordagem preliminar, que utiliza ferramentas de otimização topológica. Como requisitos de projeto tem-se a necessidade de que o sistema de direção atenda aos critérios de resistência, leveza e desempenho, alinhados às exigências da competição. A metodologia envolve a análise cinemática do comportamento da suspensão e direção, o cálculo de forças e torques utilizando modelos matemáticos baseados na literatura técnica, a definição das condições críticas de uso e a otimização topológica da geometria proposta. Como resultado, obteve-se uma geometria simples e conservadora através de métodos tradicionais de projeto, e uma geometria preliminar otimizada possuindo curvas e recursos mais complexos de serem fabricados por métodos tradicionais de fabricação como usinagem. Para trabalhos futuros pretende-se fabricar a geometria otimizada em aço 316L por DMP (Direct metal printing) e validar experimentalmente o mecanismo. Conclui-se que o projeto desenvolvido cumpre os requisitos estabelecidos, contribuindo para a evolução tecnológica da equipe em competições futuras

Competition vehicles require a constant search for design improvements using new materials, manufacturing techniques and computer analysis methods in order to remain competitive. One of the most important structural components from a safety point of view, and one that is usually oversized, is the steering gear. Therefore, the main objective of this work is to design a steering box for a Formula SAE racing vehicle. To this end, two approaches will be explored: the first, based on a proposed initial geometry validated by stress analysis, and the second, a preliminary approach using topological optimization tools. The design requirements are that the steering system meets the criteria of strength, lightness and performance, in line with the demands of competition. The methodology involves the kinematic analysis of the suspension and steering behavior, the calculation of forces and torques using mathematical models based on technical literature, the definition of critical conditions of use and the topological optimization of the proposed geometry. As a result, a simple and conservative geometry was obtained using traditional design methods, and a preliminary optimized geometry with curves and features that are more complex to manufacture using traditional manufacturing methods such as machining. Future work aims to manufacture the optimized geometry in 316L steel by DMP (Direct metal printing) and experimentally validate the mechanism. It is concluded that the project developed fulfills the established requirements, contributing to the team's technological evolution in future competitions