Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

A final drive device for torque vectoring in small racing cars

Kalkan, Sven LU (2023) MVKM01 20222
Department of Energy Sciences
Abstract
The agility of the car can be improved by distributing the longitudinal tire forces unevenly between
the wheels. The resulting yaw moment helps the car to steer in transient driving scenarios, like
on a slalom course. The available grip in steady state cornering can also be increased along with
stability. The goal in this project is to develop a final drive device for torque vectoring in a small
racing car in order to make it faster around the race track.
It is shown that torque vectoring can improve the usable tire grip. Different differential concepts, both passive and active, are presented and discussed. The torque vectoring concepts are
rated according to suitability in a Formula Student car, and two alternatives of a dual clutch... (More)
The agility of the car can be improved by distributing the longitudinal tire forces unevenly between
the wheels. The resulting yaw moment helps the car to steer in transient driving scenarios, like
on a slalom course. The available grip in steady state cornering can also be increased along with
stability. The goal in this project is to develop a final drive device for torque vectoring in a small
racing car in order to make it faster around the race track.
It is shown that torque vectoring can improve the usable tire grip. Different differential concepts, both passive and active, are presented and discussed. The torque vectoring concepts are
rated according to suitability in a Formula Student car, and two alternatives of a dual clutch
concept are chosen for further analysis. A lap-simulation program is used to evaluate if the concepts are feasible to use in a race car, and to quantify requirements for torque capacity, and cooling.
A system requirements specification is created and a design is developed in a 3D-CAD program.
The performed analysis for clutch dimensioning, cooling capacity and structural finite element
analysis is presented. The remaining work is presented and discussed in the end. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
En slutväxellåda för individuell styrning av drivhjulsmoment anpassad för små tävlingsbilar
Studien visar utvecklingsprocessen för en mekanisk lösning som ger stor frihet i styrningen av drivhjulsmoment och storleksmässigt lämpar sig för små tävlingsbilar. Kärnan i lösningen är att till vardera drivande hjul koppla en slirkoppling som styrs av en hydraulisk pump. I arbetet presenteras en komplett 3D-modell. I ett varvtidssimuleringsprogram beräknas verkningsgrad, värmeutveckling och elförbrukning som visar sig ligga inom rimliga gränser. Det säkerställs också med hållfasthetsberäkningar att delarna tål alla belastningar.
I en tävlingsbil är styrrespons en viktig egenskap för att kvickt kunna manövrera och byta riktning på en... (More)
En slutväxellåda för individuell styrning av drivhjulsmoment anpassad för små tävlingsbilar
Studien visar utvecklingsprocessen för en mekanisk lösning som ger stor frihet i styrningen av drivhjulsmoment och storleksmässigt lämpar sig för små tävlingsbilar. Kärnan i lösningen är att till vardera drivande hjul koppla en slirkoppling som styrs av en hydraulisk pump. I arbetet presenteras en komplett 3D-modell. I ett varvtidssimuleringsprogram beräknas verkningsgrad, värmeutveckling och elförbrukning som visar sig ligga inom rimliga gränser. Det säkerställs också med hållfasthetsberäkningar att delarna tål alla belastningar.
I en tävlingsbil är styrrespons en viktig egenskap för att kvickt kunna manövrera och byta riktning på en tävlingsbana. Minst lika viktigt är stabilitet, då föraren mestadels ligger på gränsen för vad bilen klarar av och därmed är bra förtroende för bilen viktigt för att få ner varvtiderna. En tredje viktig egenskap är hög greppnivå vilket möjliggör hög kurvhastighet och snabba accelerationer. Dessa tre egenskaper kan förbättras genom att låta en dator styra hur det drivande momentet fördelas mellan bilens drivande hjul med hjälp av olika sensorer. De vanligaste mekaniska lösningarna för att möjliggöra detta innefattar många kugghjul och andra tunga komponenter, åtminstone om man vill kunna variera drivningsmomentet helt fritt mellan hjulen.
I denna studie väljs en något okonventionell mekanisk lösning som innefattar två flerlamellskopplingar som trycks ihop med en stark tallriksfjäder och öppnas av en hydraulikstyrd kolv. Fullt moment överförs därmed till hjulen när pumparna är avstängda, vilket innebär att bilen fortfarande kan ta sig fram ifall det uppstår något problem med pumparna. Man kan också tänka sig en konstruktion utan fjädrar och där kolvarna istället trycker ihop lamellpaketen. Denna lösning väljs bort främst på grund av att bilen kan tappa framdrivningen vid ett fel på pumparna. Simuleringarna visar också att pumparna förbrukar hälften så mycket ström med det valda alternativet.
Är det verkligen effektivt att driva en bil som har två kopplingar varav en av dem hela tiden slirar? Kommer det inte bildas väldigt mycket värme? En simulering av en formula-studentbil på tävlingsbanan i Hockenheim visar att slirförlusterna endast är 1% av den totala framdrivande effekten och de totala förlusterna är 2%. Detta skapar ändå en ansenlig mängd värme som behövs kylas bort. Därför faller valet på att ha kylflänsar på utsidan av oljereservoaren. En förenklad värmeledningsberäkning visar att aluminiumhuset och oljan kommer ligga på strax under 130°C, vilket inte bör vålla några större problem för de ingående komponenterna. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Kalkan, Sven LU
supervisor
organization
course
MVKM01 20222
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Torque vectoring, differential, formula student, racecar, racing, BorgWarner, product development
report number
LUTMDN/TMHP-19/5442-SE
ISSN
0282-1990
language
English
id
9110547
date added to LUP
2023-02-09 13:00:49
date last changed
2023-02-09 13:00:49
@misc{9110547,
  abstract     = {{The agility of the car can be improved by distributing the longitudinal tire forces unevenly between
the wheels. The resulting yaw moment helps the car to steer in transient driving scenarios, like
on a slalom course. The available grip in steady state cornering can also be increased along with
stability. The goal in this project is to develop a final drive device for torque vectoring in a small
racing car in order to make it faster around the race track.
It is shown that torque vectoring can improve the usable tire grip. Different differential concepts, both passive and active, are presented and discussed. The torque vectoring concepts are
rated according to suitability in a Formula Student car, and two alternatives of a dual clutch
concept are chosen for further analysis. A lap-simulation program is used to evaluate if the concepts are feasible to use in a race car, and to quantify requirements for torque capacity, and cooling.
A system requirements specification is created and a design is developed in a 3D-CAD program.
The performed analysis for clutch dimensioning, cooling capacity and structural finite element
analysis is presented. The remaining work is presented and discussed in the end.}},
  author       = {{Kalkan, Sven}},
  issn         = {{0282-1990}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{A final drive device for torque vectoring in small racing cars}},
  year         = {{2023}},
}