Weight Reduction of Vehicle Suspension Arm Using Structural Analysis and Optimization Techniques

Abstract

The suspension arm is used to fix the tire and wheel joint laterally by connecting to the shock absorber, to the front knuckle, and to the subframe. In the automotive industry, reducing vehicle cost and weight while maintaining quality is among the main objectives. In this study, optimization studies were carried out by performing weight reduction analyses on the front wishbone. The aim of the study is to create a new front wishbone model with reduced weight and cost while minimizing the amount of material by making changes in the geometry of a selected front wishbone by using the topology optimization method. For this purpose, it is aimed to determine the most suitable design by applying constraints such as displacement and stress, using analysis and topology optimization methods and finite element method. After the static analyses, topology optimization was performed. According to these material distributions, the areas that can be emptied were determined, and new design studies were carried out according to these data. Static analyzes were repeated for each new design, and shape optimization was made with genetic algorithms. It has been determined that the optimum design found is 11.02% lighter than the selected part design.

Keywords

• Optimization
• Shape Optimization
• Topology Optimization
• Fatigue Analysis
• Lower Arm

OTOMOBİL SALINCAK KOLUNUN YAPISAL ANALİZ VE OPTİMİZASYON TEKNİKLERİ İLE AĞIRLIK AZALTILMASI

Abstract

Otomobillerde kullanılan ön salıncak kolu amortisör, komuta parmağı ve motor beşiğine bağlanarak, lastik ve jant birleşiğini yanal olarak sabitlemek için kullanılır. Otomotiv endüstrisinde, kaliteyi koruyarak araç maliyetini ve ağırlığını azaltmak temel hedefler arasında yer almaktadır. Bu çalışmada, ön salıncak kolu üzerinde ağırlık azaltma analizleri yapılarak optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın amacı, topoloji optimizasyon metodunun kullanılmasıyla, seçilen bir ön salıncak kolunun geometrisinde değişiklikler yaparak, malzeme miktarının minimuma düşürülmesi, parça dayanımını koruyacak şekilde, ağırlığı ve maliyeti azaltılmış yeni bir ön salıncak kolu modelinin oluşturulmasıdır. Bu amaçla, katı modelleme ve sonlu elemanlar yöntemiyle analiz ve topoloji optimizasyon metotları kullanılarak, yer değiştirme, gerilme gibi kısıtlar uygulanarak en uygun tasarımın belirlenmesi hedeflenmiştir. Yapılan çalışmada seçilen örnek parça üzerinde yapılmış statik analizler sonrası, topoloji optimizasyonu gerçekleştirilmiş ve malzeme dağılımları incelenmiştir. Bu malzeme dağılımlarına göre parçanın boşaltılabilecek alanlar tespit edilmiş, bu verilere göre yeni tasarım çalışmaları yapılmıştır. Her yeni tasarım için statik analizler tekrarlanmış ve genetik algoritmalar ile şekil optimizasyonu yapılmıştır. Bulunan optimum tasarımının, seçilen örnek parça tasarımına göre %11,02 daha hafif olduğu tespit edilmiştir.

Keywords

• Optimizasyon
• Şekil Optimizasyonu
• Topoloji Optimizasyonu
• Salıncak Kolu
• Yorulma Analizi
• Hyperworks

References

1. 1. MotorDersi.Com, (2020). Alt Salıncak Kolu Nedir? Erişim adresi: https://www.motordersi.com/alt-salincak-kolu-nedir/ (Erişim Tarihi: 05 Aralık 2021)
2. 2. Altair University, (t.y.). Altair University Hypermesh Tutorial. Erişim adresi: https://altairuniversity.com/ (Erişim Tarihi: 05 Aralık 2021)
3. 3. Altair University, (t.y.). Altair University Hyper Units. Erişim adresi: https://www.altairuniversity.com/wp-content/uploads/2012/04/Student_Guide_55-57.pdf (Erişim Tarihi: 05 Aralık 2021)
4. 4. Arora, J. (2004). Introduction to optimum design. Elsevier.
5. 5. Chirinda, G. P., & Matope, S. The Lighter the Better: Weight Reduction in the Automotive Industry and its Impact on Fuel Consumption and Climate Change.
6. 6. Hatipoğlu, M. (2015). Topology optimization method and automotive bracket optimization, Yüksek lisans tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul
7. 7. Huawang, S. (2016) Compressive strength-prediction model for coal gangue concrete via genetic algorithm theory and support vector machine, International Journal of Earth Sciences and Engineering, pp. 534-540.
8. 8. Hutton, D. V. (2004). Fundamentals of finite element analysis. McGraw-hill.

9. 9. Khajepour, A., & Goodarzi, A. (2017). Vehicle Suspension System Technology and Design. Morgan & Claypool Publishers.
10. 10. Otolye.com, (2021). Salıncak Nedir ve Nasıl çalışır? Erişim adresi: https://otolye.com/blog/salincak (Erişim Tarihi: 05 Aralık 2021)
11. 11. Pratik Araba, (2021). Salıncak Değişimi. Erişim adresi: https://www.pratikaraba.com/salincak-degisimi.html (Erişim Tarihi: 05 Aralık 2021)
12. 12. Rahman, M. H. A., Salleh, M. S., Abdullah, A., Yahaya, S. H., Razak, M. S. A., Kamal, M. R. M., ... & Saad, N. A. M. (2018). A new design optimization of light weight front lower control arm. Journal of Advanced Manufacturing Technology (JAMT), 12(1), 89-102.
13. 13. Ramli, M. N., Sulaiman, S., & Azizul, M. A. (2020). Implementation of Weight Reduction Method for Lower Front Control Arm without Reducing The Safety Factor. Journal of Design for Sustainable and Environment, 2(2).
14. 14. Wikipedia, (2021). Trailing-arm suspension. Erişim adresi: https://en.wikipedia.org/wiki/Trailing-arm_suspension (Erişim Tarihi: 05 Aralık 2021)
15. 15. Yıldız A. R., Kaya N., Ferruh Ö. (2003) Taşıt elemanlarının optimum topoloji yaklaşımı ile tasarımı, Mühendis ve Makina, 44(516), 23-28. Erişim adresi: https://www.mmo.org.tr/sites/default/files/84b6fbb10729ed4_ek.pdf
16. 16. Yıldız, A. R. (2017) Taşıt elemanlarının yapısal optimizasyon teknikleri ile optimum tasarımı, Politeknik Dergisi, 20 (2), 319-323. doi: 10.2339/2017.20.2 319-323
17. 17. Yıldız, B. S. (2020a). Slime mould algorithm and kriging surrogate model-based approach for enhanced crashworthiness of electric vehicles. International Journal of Vehicle Design, 83(1), 54-68.
18. 18. Yıldız, B. S. (2020b). Robust design of electric vehicle components using a new hybrid salp swarm algorithm and radial basis function-based approach. International Journal of Vehicle Design, 83(1), 38-53.
19. 19. Yıldız, B., Patel, V., Pholdee, N., Sait, S., Bureerat, S. & Yıldız, A. (2021). Conceptual comparison of the ecogeography-based algorithm, equilibrium algorithm, marine predators algorithm and slime mold algorithm for optimal product design. Materials Testing, 63(4), 336-340.
20. 20. Gupta, S., Abderazek, H., Yıldız, B. S., Yildiz, A. R., Mirjalili, S., & Sait, S. M. (2021). Comparison of metaheuristic optimization algorithms for solving constrained mechanical design optimization problems. Expert Systems with Applications, 183, 115351.