PROGETTAZIONE ED ANALISI DI UN SISTEMA DI SOSPENSIONI A MODI DISACCOPPIATI PER UNA VETTURA DI FORMULA STUDENT

In Formula SAE competitions, the pursuit of peak performance requires vehicles capable of balancing high levels of road holding with rigorous aerodynamic platform stability. In conventional suspension systems, the management of heave, pitch, and roll motions is achieved through coupled elements, forcing designers into constant trade-offs between the stiffness required for aerodynamics and the compliance necessary for grip and bump absorption, often resorting to anti-roll bars that introduce parasitic stiffness. The objective of this thesis is the design, kinematic analysis, and dynamic optimization of a Mode Decoupled Suspension System for a Formula Student prototype. The layout aims to mathematically and physically separate the management of vertical/longitudinal motions from lateral ones through the independent use of a heave damper and a roll damper. Starting from the definition of critical loads (based on the Pacejka tire model), an analytical kinematic model of the quadrilateral linkage and the complex pushrod-rocker actuation system was developed. Subsequently, a non-linear numerical optimization algorithm was implemented in the MATLAB environment (MultiStart approach) to define the geometric coordinates (hardpoints). The multi-objective cost function allowed for the optimization of Roll Center migration, scrub, and camber gain, while ensuring specific installation ratios. Finally, the elasto-damping sizing for ride and roll was conducted. The optimization eliminated crosstalk between the two damping elements, validating the perfect decoupling of motions. The dynamic calibration led to the adoption of a setup with inverted frequencies, 30% Anti-Dive at the front, and 5% Anti-Squat at the rear to maximize the longitudinal traction of the electric vehicle. Kerb strike simulations confirmed the absence of mechanical bottoming. The results demonstrate that the decoupled architecture ensures fully independent tuning. This translates into the elimination of asymmetric stiffnesses, the minimization of hysteresis, and a significant improvement in the vehicle's predictability and mechanical grip, providing a highly competitive design solution for dynamic events.

Nelle competizioni di Formula SAE, la ricerca della massima prestazione richiede vetture in grado di combinare un'elevata tenuta di strada con una rigorosa stabilità della piattaforma aerodinamica. Nei sistemi sospensivi tradizionali, la gestione dei moti di cassa (pompaggio, beccheggio e rollio) avviene tramite elementi accoppiati, costringendo i progettisti a continui compromessi tra la rigidezza necessaria per l'aerodinamica e la cedevolezza richiesta per l'aderenza e l'assorbimento delle asperità, ricorrendo spesso all'uso di barre antirollio che introducono rigidezze parassite. L'obiettivo di questa tesi è la progettazione, l'analisi cinematica e l'ottimizzazione dinamica di un sistema di sospensioni a modi disaccoppiati (Mode Decoupled Suspension System) per un prototipo di Formula Student. Il layout mira a separare matematicamente e fisicamente la gestione dei moti verticali/longitudinali da quelli trasversali tramite l'uso indipendente di un heave damper e di un roll damper. A partire dalla definizione dei carichi critici (su base del modello pneumatico di Pacejka), è stato sviluppato un modello cinematico analitico del quadrilatero articolato e del complesso sistema di attuazione pushrod-rocker. Successivamente, è stato implementato un algoritmo di ottimizzazione numerica non lineare in ambiente MATLAB (approccio MultiStart) per definire le coordinate geometriche (hardpoints). La funzione di costo multi-obiettivo ha permesso di ottimizzare la migrazione dei Centri di Rollio, lo scrub e il camber gain, garantendo specifici rapporti di installazione (Installation Ratio). Infine, è stato condotto il dimensionamento elasto-smorzante per ride e rollio. L'ottimizzazione ha azzerato il crosstalk tra i due elementi ammortizzanti, validando il perfetto disaccoppiamento dei moti. La taratura dinamica ha portato all'adozione di un setup con frequenze invertite, un Anti-Dive del 30% all'anteriore e un Anti-Squat ridotto al 5% al posteriore per massimizzare la trazione longitudinale del veicolo elettrico. Le simulazioni di kerb strike hanno confermato l'assenza di fondocorsa meccanici. I risultati dimostrano che l'architettura disaccoppiata garantisce un tuning totalmente indipendente. Questo si traduce nell'eliminazione delle rigidezze asimmetriche, nella minimizzazione delle isteresi e in un netto miglioramento della prevedibilità e del grip meccanico della vettura, fornendo una soluzione progettuale altamente competitiva per le prove dinamiche.