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151 Fachbereich Maschinenbau Konstruktion, Berechnung und Bau eines Leichtbaufahrzeuges mit Hilfe computergestützter Methoden (CAD, FEM, MKS) Abstract Ziel dieses Projektes ist es, das im „Leicht- bau-Technologie-Center LTC“ der FH Dortmund entwickelte dreirädrige Leichtbaufahrzeug „eLTeC MP“ so weiter zu entwickeln, dass es schließ- lich serienreif wird. Durch den Einsatz compu- tergestützer Konstruktions-, Simulations- und Optimierungsverfahren soll es dabei besonders leicht, schnell und sicher werden. Hierbei findet neben den kommerziellen Softwaresystemen „Pro/Engineer“ (CAD), „Nastran“ (FEM) und „Adams“ (MKS) das ebenfalls im „Leichtbau- Technologie-Center LTC” der FH Dortmund ent- wickelte Optimierungssystem „OPIUM“ Anwen- dung. Der erste Prototyp des Leichtbaufahrzeugs ist bereits im Rahmen von zwei Diplomarbeiten entwickelt worden. Durch zahlreiche Detailver- besserungen an diesem Fahrzeug, die in erster Linie der Gewichtsreduzierung, der Konstruk- tionsoptimierung und der Komfortsteigerung dienen, wird der nächste Schritt vom ersten Prototypen zum Serienfahrzeug vollzogen. Durch aktuelle Entwicklungen wird dieses Ziel weiter verfolgt. So werden zur Zeit z.B. die vorderen Achsschenkel aus Aluminium und Magnesium und der bisherige Hinterradbau vollständig aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) neu konstruiert. Dies führt zu weiteren drastischen Gewichtsreduzierungen. Eine andere entschei- dende Weiterentwicklung an „eLTeC MP“ ist die Integration eines Elektromotorantriebes. Hier- durch stellt „eLTeC MP“ ein ideales Cityfahrzeug dar, mit dem bei reinem Elektroantrieb mit einer Akkuladung Entfernungen bis zu ca. 50 km bei einer Höchstgeschwindigkeit von ca. 40 km/h zurückgelegt werden können. An der Entwicklung des 2. Prototypen „eLTeC OV“, der eine völlig neuentwickelte Rahmengeometrie erhält und vollständig aus Aluminium gefertigt wird, wird zur Zeit intensiv gearbeitet. Ziel hierbei ist, das Gewicht des bisherigen Fahrzeuges „eLTeC MP“ um ca. 20% zu senken. Forschungsgegenstand Die erste Aufgabe dieses Forschungsprojektes ist, die Leistungsfähigkeit, die Einsatzfähigkeit und die Alltagstauglichkeit des ersten Prototypen „eLTeC MP“ (Bild 1) zu überprüfen. Da hierzu kaum Literatur erhältlich ist, müssen zunächst zahlreiche Testfahrten und Messungen zeigen, welche Verbesserungspotentiale vorhanden sind. Dies muss quantitativ mit Hilfe von Dehnmess- streifen im Fahrbetrieb erfolgen. Anschließend müssen die Messergebnisse ausgewertet wer- den, um daraus notwendige Konstruktions- und Berechnungsänderungen ableiten zu können. Bild 1: Erster Protoyp des Leichtbaufahrzeuges „eLTeC MP“ Aufgrund der durchgeführten Messungen soll anschließend zunächst der Rahmen des Leicht- baufahrzeuges verbessert werden. Durch Para- meteroptimierungen sollen die Wandstärken der Stahlprofile optimiert werden. Mit Hilfe einer Topologieoptimierung kann die äußere Form der Rahmenprofile optimal an die Beanspruchungen angepasst werden. Weiterhin soll untersucht werden, inwiefern alternativ ein Rahmen aus Aluminium einsetzbar ist. Weitere Entwicklungs- möglichkeiten, die es zu untersuchen gibt, liegen in der Verwendung von Magnesium oder CFK als typische Leichtbauwerkstoffe. Neben der Rahmenoptimierung soll das Fahrver- halten optimiert werden. Hierzu sollen Fahrsi- mulationen mit „ADAMS/Car“ als MKS-System durchgeführt werden. Ziel hierbei ist es, die Fahrstabilität zu verbessern, um dadurch die Fahr- sicherheit zu erhöhen. Ansatzpunkte ergeben sich einerseits durch eine neue Vorderachsgeometrie, um das Lenkverhalten zu optimieren und eine Neigung des Fahrzeuges in Kurven zu realisieren. Andererseits soll der Hinterbau aufgrund der Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Wilfried Fischer Zeitraum 2003–2005 Mitarbeiter stud. Hilfskräfte, Dipl.-Ing. (FH) M. Macha, Dipl.-Ing. (FH) J. Prieß, Dipl.-Ing. (FH) S. Barthold, Dipl.-Ing. (FH) A. Rohaut, Dipl.-Ing. (FH) A. Gollnick Kontakt Prof. Dr.-Ing. Wilfried Fischer, Fachbereich Maschinenbau, Fachhochschule Dortmund, Sonnenstr. 96, 44139 Dortmund, Telefon: (0231) 9112-157, Fax: (0231) 9112-334, E-Mail: wilfried.fischer@ fh-dortmund.de Homepage: serv01. maschinenbau. fh-dortmund.de/ ~fischer/Fischer.htm

Konstruktion, Berechnung und Bau eines … · Als Getriebe ist eine 14-Gang-Schaltung implementiert, die auch im Stand schaltbar ist. Als Bremsen werden vorn zwei hydraulische Scheibenbremsen

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151 Fachbereich Maschinenbau

Konstruktion, Berechnung und Bau eines Leichtbaufahrzeuges mit Hilfe computergestützter Methoden (CAD, FEM, MKS)

AbstractZiel dieses Projektes ist es, das im „Leicht-bau-Technologie-Center LTC“ der FH Dortmund entwickelte dreirädrige Leichtbaufahrzeug „eLTeC MP“ so weiter zu entwickeln, dass es schließ-lich serienreif wird. Durch den Einsatz compu-tergestützer Konstruktions-, Simulations- und Optimierungsverfahren soll es dabei besonders leicht, schnell und sicher werden. Hierbei fi ndet neben den kommerziellen Softwaresystemen „Pro/Engineer“ (CAD), „Nastran“ (FEM) und „Adams“ (MKS) das ebenfalls im „Leichtbau-Technologie-Center LTC” der FH Dortmund ent-wickelte Optimierungssystem „OPIUM“ Anwen-dung. Der erste Prototyp des Leichtbaufahrzeugs ist bereits im Rahmen von zwei Diplomarbeiten entwickelt worden. Durch zahlreiche Detailver-besserungen an diesem Fahrzeug, die in erster Linie der Gewichtsreduzierung, der Konstruk-tionsoptimierung und der Komfortsteigerung dienen, wird der nächste Schritt vom ersten Prototypen zum Serienfahrzeug vollzogen. Durch aktuelle Entwicklungen wird dieses Ziel weiter verfolgt. So werden zur Zeit z.B. die vorderen Achsschenkel aus Aluminium und Magnesium und der bisherige Hinterradbau vollständig aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) neu konstruiert. Dies führt zu weiteren drastischen Gewichtsreduzierungen. Eine andere entschei-dende Weiterentwicklung an „eLTeC MP“ ist die Integration eines Elektromotorantriebes. Hier-durch stellt „eLTeC MP“ ein ideales Cityfahrzeug dar, mit dem bei reinem Elektroantrieb mit einer Akkuladung Entfernungen bis zu ca. 50 km bei einer Höchstgeschwindigkeit von ca. 40 km/h zurückgelegt werden können. An der Entwicklung des 2. Prototypen „eLTeC OV“, der eine völlig neuentwickelte Rahmengeometrie erhält und vollständig aus Aluminium gefertigt wird, wird zur Zeit intensiv gearbeitet. Ziel hierbei ist, das Gewicht des bisherigen Fahrzeuges „eLTeC MP“ um ca. 20% zu senken.

ForschungsgegenstandDie erste Aufgabe dieses Forschungsprojektes ist, die Leistungsfähigkeit, die Einsatzfähigkeit und die Alltagstauglichkeit des ersten Prototypen „eLTeC MP“ (Bild 1) zu überprüfen. Da hierzu kaum Literatur erhältlich ist, müssen zunächst zahlreiche Testfahrten und Messungen zeigen, welche Verbesserungspotentiale vorhanden sind. Dies muss quantitativ mit Hilfe von Dehnmess-streifen im Fahrbetrieb erfolgen. Anschließend müssen die Messergebnisse ausgewertet wer-den, um daraus notwendige Konstruktions- und Berechnungsänderungen ableiten zu können.

Bild 1: Erster Protoyp des Leichtbaufahrzeuges „eLTeC MP“

Aufgrund der durchgeführten Messungen soll anschließend zunächst der Rahmen des Leicht-baufahrzeuges verbessert werden. Durch Para-meteroptimierungen sollen die Wandstärken der Stahlprofi le optimiert werden. Mit Hilfe einer Topologieoptimierung kann die äußere Form der Rahmenprofi le optimal an die Beanspruchungen angepasst werden. Weiterhin soll untersucht werden, inwiefern alternativ ein Rahmen aus Aluminium einsetzbar ist. Weitere Entwicklungs-möglichkeiten, die es zu untersuchen gibt, liegen in der Verwendung von Magnesium oder CFK als typische Leichtbauwerkstoffe.

Neben der Rahmenoptimierung soll das Fahrver-halten optimiert werden. Hierzu sollen Fahrsi-mulationen mit „ADAMS/Car“ als MKS-System durchgeführt werden. Ziel hierbei ist es, die Fahrstabilität zu verbessern, um dadurch die Fahr-sicherheit zu erhöhen. Ansatzpunkte ergeben sich einerseits durch eine neue Vorderachsgeometrie, um das Lenkverhalten zu optimieren und eine Neigung des Fahrzeuges in Kurven zu realisieren. Andererseits soll der Hinterbau aufgrund der

ProjektleiterProf. Dr.-Ing. Wilfried Fischer

Zeitraum2003–2005

Mitarbeiterstud. Hilfskräfte, Dipl.-Ing. (FH) M. Macha, Dipl.-Ing. (FH) J. Prieß, Dipl.-Ing. (FH) S. Barthold, Dipl.-Ing. (FH) A. Rohaut, Dipl.-Ing. (FH) A. Gollnick

KontaktProf. Dr.-Ing. Wilfried Fischer, Fachbereich Maschinenbau, Fachhochschule Dortmund,Sonnenstr. 96, 44139 Dortmund, Telefon: (0231) 9112-157, Fax: (0231) 9112-334, E-Mail: wilfried.fi [email protected]: serv01.maschinenbau.fh-dortmund.de/~fi scher/Fischer.htm

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neuen Messdaten neu ausgelegt und besonders verkürzt werden, um Gewicht zu sparen und das Traktionsverhalten zu verbessern.

Letzter Punkt des Forschungsprojektes ist, eine Antriebsunterstützung durch einen Elektromotor zu realisieren. Zunächst müssen die gesetzlichen Vorschriften und Zulassungsbedingungen geklärt werden. Anschließend ist ein entsprechender Mo-tor und eine sinnvolle Energiequelle auszuwäh-len und eine konstruktive Lösung zu erarbeiten. Gleichzeitig muss die notwendige Regelungstech-nik entwickelt werden, um automatisch zwischen Muskelkraftantrieb und Elektromotorantrieb umzuschalten.

Aktueller Stand der wissenschaftlichen DiskussionDer Bau kompletter Fahrzeuge ist ein sehr interessantes aber leider auch sehr komplexes Gebiet. Um einen Einstieg in den Fahrzeugbau zu bekommen, ist es daher sinnvoll, sich zunächst auf wesentliche Gesichtspunkte zu beschränken. Betrachtet man zusätzlich den zeitlichen und fi nanziellen Rahmen, so wird relativ schnell klar, dass diese Beschränkungen auch aus diesen Gründen zwingend erforderlich sind. Legt man als Schwerpunkt der Fahrzeugentwicklung den Leicht-bau zu Grunde, der eine äußerst wichtige Rolle in der Fahrzeugindustrie spielt, ergibt sich daraus, dass die Entwicklung eines durch Muskelkraft angetriebenen Leichtbaufahrzeuges, welches wesentliche Bestandteile eines jeden Fahrzeuges enthält, wirtschaftlich sinnvoll, wissenschaftlich interessant und ökologisch überzeugend ist. Der Aspekt des Leichtbaus ist hierbei besonders wichtig, da als Antriebsquelle nur die stark einge-schränkte Muskelkraft zur Verfügung steht. Somit sollten alle Leichtbaupotentiale bekannt und ausgeschöpft werden, wozu auch die Anwendung von CAD-, FEM- und MKS-Systemen gehört, wie sie im “Leichtbau-Technologie-Center LTC” der FH Dortmund eingesetzt werden. Die Optimierung jeder einzelnen Komponente mit Hilfe computer-gestützter Methoden erfordert ein hohes Maß an theoretischem Wissen, welches in den entspre-chenden Studienfächern vermittelt wird. Dabei ist gerade eine dreirädrige Konstellation, bei der mit den beiden Vorderrädern gelenkt wird, eine zusätzliche wissenschaftliche Herausforderung, da die Lenkgeometrie ausgelegt werden muss, um ein sicheres Fahrverhalten zu gewährleisten. Zusätzlich erwähnt werden sollten natürlich auch die Fertigungstechnologien wie Schweißverfahren, Oberfl ächenbehandlungen, usw., mit denen man sich ebenfalls wissenschaftlich fundiert beschäf-tigen muss.

Somit ergeben sich zahlreiche wissenschaftliche Problemstellungen, die im Rahmen der Entwicklung des Leichtbaufahrzeuges gelöst werden müssen. Teilaspekte wurden auf der „Virtual Product Deve-lopment Conference“ vom 24. bis 26. Juni 2003 in Bad Neuenahr in einem Vortrag präsentiert.

Auf dem Gebiet der durch Muskelkraft angetrie-benen Fahrzeuge muss zwischen den 2- und den 3-rädrigen Fahrzeugen unterschieden werden. 3-rädrige Fahrzeuge bieten u. a. den Vorteil, dass man problemlos anhalten kann, dass das Fahren wesentlich einfacher ist und dass man eine komfortablere Sitz- bzw. Liegeposition hat. Dies führt zu einem wesentlich entspannteren und damit sichereren Fahren. Hinzu kommt bei Liegedreirädern die bessere Aerodynamik durch die geringere Anströmfl äche, so dass weniger Energie als Antrieb notwendig ist als bei 2-räd-rigen Fahrzeugen in aufrechter Sitzposition. Bei den bisher verfügbaren 3-rädrigen Fahrzeugen wurde beim Bau meist experimentell vorgegan-gen. Dadurch wurden Leichtbaupotentiale, die gerade bei diesen Fahrzeugen sehr wichtig sind, nicht ausgeschöpft. Auch Fahrverhalten und Lenkgeometrie wurden durch zahlreiche Versuche bestimmt und nicht berechnet, was zu Fahrinsta-bilitäten oder ungünstigem Lenkverhalten führt. Eine wissenschaftliche fundierte Vorgehensweise wurde bisher kaum durchgeführt.

ForschungsergebnisseZiel dieses Vorhabens ist es, das in Bild 1 abge-bildete dreirädrige Leichtbaufahrzeug so weiter zu entwickeln, dass es als Serienfahrzeug eine alternative Fortbewegungsmöglichkeit zu bisheri-gen Fahrzeugen darstellt. Durch den Einsatz com-putergestützer Konstruktions-, Simulations- und Optimierungsverfahren soll es besonders leicht, schnell und sicher werden. So steht für die Kon-struktion das CAD-System Pro/Engineer, für die Berechnung und Optimierung die FEM-Systeme Nastran, HyperWorks und OPIUM und zur Fahrdy-namikanalyse das MKS-System ADAMS zur Verfü-gung. Das Fahrzeug hat zwei gelenkte Vorderräder und ein angetriebenes Hinterrad. Als Getriebe ist eine 14-Gang-Schaltung implementiert, die auch im Stand schaltbar ist. Als Bremsen werden vorn zwei hydraulische Scheibenbremsen und hinten eine Felgenbremse eingesetzt. Der erste Prototyp des Leichtbaufahrzeugs „eLTeC MP“ wurde im Rahmen von zwei Diplomarbeiten entwickelt und steht fahrbereit für Testfahrten zur Verfügung. Er wurde bereits auf der „CeBIT“ in Hannover (Bild 1) und auf der „SPEZI“ in Germersheim präsentiert.

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Erste Fahrtests haben ergeben, dass “eLTeC MP” alle erforderlichen Funktionen erfüllt und hervorragende Fahreigenschaften hat. Geradeauslauf, Kurvenfahrt, Lenk- und Bremsverhalten, Fahrkomfort und Fahrsta-bilität sind aufgrund der vorangegangenen virtuellen Produktentwicklung auf Anhieb sehr gut gelungen, so dass keine prinzipiellen Konstruktionsänderungen notwendig sind. Dadurch ergibt sich, dass sich als erste Aufgabe eine Gewichtsoptimierung des Rah-mens anbietet, da das Gewicht des Rahmens, Bild 2a, etwa ein Drittel des Gesamtgewichts beträgt.

a)

b)

Bild 2: Rahmen und primäre Anbauteile: a) Konstruktion, b) FEM-Analyse

Die Ergebnisse einer FEM-Analyse sind in Bild 2b dargestellt. Die Hauptbeanspruchungen lie-gen im Bereich des Sitzes und der Vorderachse, so dass sich hierdurch zeigt, dass im vorderen und hinteren Bereich Material gespart werden kann.

Führt man hieran eine Parameteroptimierung durch, so erhält man als Ergebnis die jeweils er-forderliche Wandstärke des verwendeten Kasten-profi ls. Theoretisch ist hierdurch eine Gewichtsre-duzierung von 57% möglich. Bild 3a zeigt farblich markiert die notwendigen Wandstärken, die hier

schon unter Fertigungsgesichtspunkten leicht variiert worden sind.

Die Herstellung dieses Spezialrahmens, der eine von den Beanspruchungszonen abhängige Wand-stärke haben müsste, wäre aber sehr aufwendig, so dass die Fertigung eines solchen Rahmens im Hin-blick auf ein Serienfahrzeug nicht in Frage kommt.

a)

b)

Bild 3: Gewichtsreduzierung des Rahmens: a) Parameteroptimierung der Wandstärke, b) Topologieoptimierung

Das Ergebnis einer Topologieoptimierung des Rahmens zeigt Bild 3b. Als Bauraum wird das Kastenprofi l des Rahmens zugrunde gelegt. Mit Hilfe der Topologieoptimierung erhält man somit einen Vorschlag, an welchen Stellen Ausschnitte im Rahmen vorgesehen werden müssen, um bei vorgeschriebener Reststeifi gkeit und -festigkeit eine Gewichtsreduzierung zu erreichen. Da bei dieser Vorgehensweise ganz entscheidend ist, welche Lastannahmen getroffen werden, müssen zur Umsetzung dieses konstruktiven Vorschlages zunächst weitere Testfahrten mit Belastungsmes-

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sungen durchgeführt werden, um sichere Aussa-gen treffen zu können.

a)

b)

c)

Bild 4: a) Vorderachse mit alten Achsschenkeln aus Stahl b) neuer Achsschenkel aus Aluminium mit Ver-stellmechanismus und als Hohlwellen ausgeführten Achsen, c) FEM-Analyse

Als dritte Variante einer Gewichtsreduzierung des Rahmens bietet sich ein Materialwechsel an. Der bisherige Rahmen besteht aus Edelstahl, da hier keine Liefer-, Fertigungs- und Korrosionsprobleme zu erwarten sind und außerdem eine preiswerte Lösung realisierbar ist. Der gerade in der Entwick-lung befi ndliche zweite Prototyp “eLTeC OV” erhält einen Aluminiumrahmen. Voraussichtlich wird hierdurch das Gesamtgewicht des Fahrzeuges etwa um 20 % niedriger liegen.

Ebenfalls in der aktuellen Entwicklung sind Achs-schenkel aus Magnesium und ein Hinterradbau aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK). Die bisherige Vorderachse mit den Achsschenkeln aus Edelstahl ist in Bild 4a abgebildet.

Als Werkstoff für neue Achsschenkel wird zunächst Aluminium gewählt, zukünftig ist eine Variante in Magnesium geplant. Um die notwendige Steifi gkeits-erhöhung realisieren zu können, wird der Achsen-durchmesser an den Achsschenkeln entsprechend vergrößert. Da dies allerdings zu einer Gewichts-erhöhung führen würde, wird die neue Achse als Hohlachse ausgelegt, so dass bei gleicher Steifi gkeit das Gewicht reduziert werden kann. Bild 4b zeigt die Konstruktion, Bild 4c die FEM-Analyse des neuen Achsschenkels.

Darüber hinaus haben die neuen Achsschenkel Ver-stellmöglichkeiten für die Lenkung, so dass zusätz-lich durch Testfahrten der Einfl uss der Lenkgeometrie auf das Fahrverhalten des Leichtbaufahrzeuges untersucht werden kann. Zusätzlich zur Gewichts-reduzierung erhalten die neuen Achsschenkel neue Bremsen, die symmetrisch angeordnet sind, um bei Vollbremsungen ein Ausbrechen des Fahrzeuges zu verhindern.

Eine weitere zu optimierende Baugruppe ist der Hinterradbau. Umfangreiche Fahrversuche haben auch hier gezeigt, dass sich die bisherige Hinter-radschwinge aus Edelstahl im Fahrbetrieb bewährt. Bild 5a zeigt die mit Pro/Engineer durchgeführte Konstruktion.

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a)

b)

c)

Bild 5: Hinterradschwinge aus Edelstahl: a) Konstruktion, b) FEM-Analyse, c) Fertigung

In Bild 5b sind die Vergleichsspannungen und Verformungen der Hinterradschwinge, die hier mit dem FEM-System Nastran berechnet wurden, zu erkennen. Die am höchtens beanspruchte Stelle ist der Anschluss des Feder-Dämpfer-Elemen-tes, da aber die Spannungen hier im zulässigen Bereich liegen, ist eine Umkonstruktion nicht erforderlich. Die realisierte Hinterradschwinge des “eLTeC MP” ist in Bild 5c zu sehen. Zur Zeit wird an der Entwicklung eines neuen Hinterradbaus

gearbeitet, der aus Gewichtsgründen vollständig aus CFK gefertigt werden soll. Dieser wird dann die bisherige Stahlkonstruktion des “eLTeC MP” ersetzen.

Neben den Gewichtsoptimierungen soll auch das Fahrverhalten des “eLTeC MP” optimiert werden. Da es sich hierbei schwerpunktmäßig um fahrdynamische Aspekte handelt, werden die erforderlichen Berechnungen mit dem Mehrkör-persimulationsverfahren durchgeführt. In der Fahrzeugtechnik hat sich dabei “ADAMS” als Software bewährt, so dass dieses System auch hier eingesetzt wird. Mit “ADAMS/View” wird dazu die Lenkung des “eLTeC MP” modelliert und analysiert, Bild 6a.

a)

b)

Bild 6: a) Modellierung der Lenkung mit ADAMS/View, b) Modellierung des Gesamtfahrzeuges mit ADAMS/Car

Die als Achsschenkellenkung konstruierte Len-kung kann somit den erforderlichen Abmessungen

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zunächst virtuell angepasst werden, um anschlie-ßend sofort die ideale Konstellation in die Realität umsetzen zu können.

So erfüllt die Lenkung des “eLTeC MP” über weite Lenkbereiche die sog. Ackermannbedingung, der Wendekreis liegt bei ca. 6 m, der Nachlaufwinkel beträgt 10.7° und die Spreizung 18°.

Wesentlich anspruchsvoller als die Auslegung der Lenkung mit ADAMS ist die Simulation des Fahrverhaltens mit “ADAMS/Car”. Bild 6b zeigt die hierzu notwendige Modellierung des Gesamtfahr-zeuges. Bild 7a zeigt das reale Fahrzeug, Bild 7b das virtuelle Fahrzeug.

a)

b)

Bild 7: a) reales Fahrzeug, b) virtuelles Fahrzeug

Mit Hilfe des virtuellen Fahrzeuges können Fahrversuche wie z. B. Spurwechsel, Kreisfahrt, Spiralfahrt usw. durchgeführt werden, um Rück-schlüsse auf die Fahrstabilität in Grenzbereichen zu überprüfen.

Bild 8 zeigt z. B. das Ergebnis eines Bremstests.

Bild 8: Bremstest des virtuellen Fahrzeuges

Der letzte Punkt des hier beschriebenen For-schungsprojektes ist, eine Antriebsunterstützung durch einen Elektromotor zu realisieren. Gerade bei Fahrzeugen, die nur durch Muskelkraft ange-trieben werden, zeigt sich häufi g, dass sie nicht als echte alternative Fortbewegungsmöglichkeit angesehen werden. Dies ändert sich durch einen elektrischen Zusatzantrieb. Weitere Gründe für die Aufnahme dieses Teilprojektes sind, dass einer-seits im Rahmen des Fahrzeugtechnikstudiums der FH Dortmund sowohl der Fahrzeugbau als auch die Fahrzeugelektronik gelehrt wird und somit alle Studierende der Fahrzeugtechnik in dieses For-schungsprojekt integriert werden können. Wichtig ist, dass bei der Entwicklung des Hilfskraftantrie-bes die gesetzlichen Bestimmungen für Fahrzeuge solcher Art beachtet werden.

So ist beispielsweise zu garantieren, dass der Motor automatisch abgeschaltet wird, wenn eine Geschwin-digkeit von 25 km/h überschritten wird oder wenn der Fahrer die Tretkurbeln nicht mehr betätigt. Beide Vorschriften werden bei der realisierten Umsetzung des Elektromotorantriebes berücksichtigt. Bild 9 zeigt die motorisierte Variante des “eLTeC MP”. Als Motor fi ndet hierbei ein Scheibenläufermotor Verwendung, der sich durch eine sehr kompakte und leichte Ausführung auszeichnet. Als Energiequelle wird auf einen Metallhydridakku der Firma Saft-Batteries, Niederlande zurückgegriffen, die diesen einschließlich der Ladeelektronik der FH Dortmund sponsorte. Der Akku hat eine sehr hohe Leistungs-dichte und ist für diesen Verwendungszweck bestens geeignet. Sowohl der Motor als auch der Akku sind unterhalb des Sitzes positioniert, um die Schwer-punktlage zu verbessern. Da der Akku relativ schwer ist, kann dieser über eine Schnellspannvorrichtung in kurzer Zeit demontiert werden, so dass bei einem Fahrbetrieb ohne Motorunterstützung das Gewicht des Fahrzeuges reduziert wird.

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Bild 9: “eLTeC MP” mit Elektromotorantrieb

Der Akku befindet sich in einem Gehäuse aus GFK, welches im LTC konstruiert, berechnet und gefertigt wurde. Das Gehäuse enthält zusätzlich zum Akku die gesamte Überwachungselektro-nik. Rechnerisch ergibt sich bei der ausgeführ-ten Kombination von Motor, Akku und Getriebe eine Reichweite von ca. 50 km bei einer Höchst-geschwindigkeit von ca. 40 km/h - damit ist das Leichtbaufahrzeug “eLTeC MP” bestens als Cityfahrzeug einsetzbar.

Zusammenfassung und AusblickNachdem im Rahmen von zwei Diplomarbeiten der erste Prototyp des Leichtbaufahrzeuges “eL-TeC MP” konstruiert, berechnet und gebaut wurde, konnte dieser in der Öffentlichkeit präsentiert werden. So wurde „eLTeC MP“ u. a. auf der CeBIT als Anwendungsbeispiel für den Einsatz des FEM-Systems „OPIUM“ gezeigt. Anschließend wurde „eLTeC MP“ auf der Spezialradmesse SPEZI in Ger-mersheim dem Fachpublikum präsentiert. Durch einen bei dieser Gelegenheit gehaltenen Vortrag über die Entwicklung dieses Leichtbaufahrzeuges an der FH Dortmund wurde sehr viel Aufmerk-samkeit hervorgerufen. Zahlreiche Interessenten erkundigten sich nach einer Kaufmöglichkeit von „eLTeC MP“, nach Sonderanfertigungen und nach behindertengerechten Spezialumbauten.

Dies zeigt, dass ein sehr starkes wirtschaftliches Interesse an einer Weiterentwicklung vorhanden ist. Überlegungen, ein Unternehmen zur Kom-merzialisierung und Vermarktung des Fahrzeuges zu gründen, liegen daher sehr nahe. Allerdings müssen am jetzt vorhandenen Prototypen weitere Details verbessert werden, um daraus ein Serienfahrzeug zu entwickeln. So müssen u. a. weitere Fahrversuche zu präziseren Lastan-nahmen führen, Gewichtsreduzierungen durch computergestütze Optimierung und bzw. oder

Werkstoffaustausch erreicht werden und es muss an Komfortverbesserungen wie beispielsweise einer Karosserie gearbeitet werden.

Vorträge im Zusammenhang mit dem ProjektFischer, W., Entwicklung und Bau des durch Macha, M., Muskelkraft angetriebenen Prieß, J. Leichtbaufahrzeuges eLTeC MP

unter Einsatz computergestützter Methoden, SPEZI 2003, Germers-

heim, 26.04.2003Fischer, W. Von der virtuellen Produktent-

wicklung zum realen Prototypen am Beispiel des Leichtbau-fahrzeuges „eLTeC MP“, Virtual Product Developmen Conference, Bad Neuenahr, 24.06.2003

Fischer, W. Von der virtuellen Produktent-wicklung zum realen Prototypen am Beispiel des Leichtbaufahr-zeuges „eLTeC MP“, Euromold, Frankfurt, 04.12.2003

Fischer, W. Von den Anfängen der Finite-Ele-mente-Methode zur Virtuellen

Produktentwicklung –ein Über-blick über die historische Ent-wicklung von Berechnungs- und Simulationswerkzeugen, 2. CAE-Forum Brunch & Learn-

Antriebsoptimierung mit Simu-lationswerkzeugen, Würzburg, 31.05.2005

Veröffentlichungen im Zusammenhang mit dem ProjektAndrae, J., „effet 2002“: Starker Auftritt, Reuber, E.-M. tolles Ambiente, fh-Presse 4,

2002Andrae, J., Im Liegen durch die Kurven Reuber, E.-M. fliegen – Leichtes Dreirad als

Blickfang auf der CeBIT – OPIUM machte es möglich, fh-Presse 2, 2003

Andrae, J., Weniger Kilos – mehr Komfort Reuber, E.-M. – Dauerbrenner für Diplomarbeiten: Liegerad speckt ab, fh-Presse 5,

2004Barthold, S., Entwicklung einer elektrischen Fischer, W. Antriebsunterstützung für ein Leichtbaufahrzeug, FH Dortmund,

2003BU, Ganz entspannt und zügig durch Rest, P. die City – Studenten steuern mit Leichtfahrzeug auf die Über-

holspur, Westfälische allgemeine Zeitung, 28.11.2002

Page 8: Konstruktion, Berechnung und Bau eines … · Als Getriebe ist eine 14-Gang-Schaltung implementiert, die auch im Stand schaltbar ist. Als Bremsen werden vorn zwei hydraulische Scheibenbremsen

158 Fachbereich Maschinenbau

Feldhaus, U., Wie kommt der Professor aufs Fischer, W. Fahrrad? MSC alpha-Magazin,

12/04 Fischer, W. Untersuchung der praktischen

Anwendbarkeit von Optimie-rungsverfahren auf Bauteile des Maschinenbaus und der Fahr-zeugtechnik, Forschungsbericht der FH Dortmund, 2002

Fischer, W. Von der virtuellen Produktent-wicklung zum realen Prototypen am Beispiel des Leichtbau-fahrzeuges „eLTeC MP“, Virtual Product Development

Conference, 2003Fischer, W. Von der virtuellen Produktentwick-

lung zum realen Prototypen am Beispiel des Leichtbaufahrzeuges „eLTeC MP“, Euromold, 2003

GN Forschungstage der Fachhoch-schule, Westfälische Rundschau, 28.11.2002

Haasies Messekatalog SPEZI 2003,Radschlag Germersheim, 2003Lode-Gerke, Eine Tour ins Grüne mit demM. Liege-Dreirad, Westfälische

allgemeine Zeitung, 16.04.2003Lode-Gerke, Neues aus der FH: Auf dem Weg M. zum Idealgewicht,

RuhrWirtschaft, 11/04Macha, M., Marktrecherche von durch Kaufmann, A. Muskelkraft angetriebenen

Fahrzeugen, FH Dortmund, 2002Macha, M., Konstruktion und Bau eines durch Prieß, J., Muskelkraft angetriebenen Fischer, W. Leichtbaufahrzeuges (HPV) unter

Einsatz von CAE, FH Dortmund, 2003

NN Dortmunder Firmen auf der CeBIT, Ruhrnachrichten, 14.03.2003

Overkott, J. Dreirad schafft Zabel-haftes Tempo, Westfälische Rundschau,

17.03.2003Rohaut, A., Optimierung eines Fischer, W. Leichtbaufahrzeuges unter

Einsatz von CAE, FH Dortmund, 2003Schubach, W., Untersuchung des Fahrverhaltens Fischer, W. eines durch Muskelkraft angetriebenen Leichtbaufahr-

zeugs mit ADAMS/Car, FH Dort-mund, 2003

Messebeteiligungen im Zusammenhang mit dem Projekteffét 2002 „eLTeC MP“ - das schnelle Leicht-

baufahrzeug, F orschungs- & Entwicklungstage an der FH Dort-

mund, 27.11.2002CeBIT 2003 „eLTeC MP“ - das schnelle Leicht-

baufahrzeug, Hannover, 12.03.2003 - 19.03.2003SPEZI 2003 Leichtbaufahrzeug „eLTeC MP“,

Germersheim, 26.04.2003 - 27.04.2003

Einstieg Abi Das Leichtbaufahrzeug „eLTeC MP“ – eine Entwicklung des

2003 Leichtbau-Technologie-Centers LTC der FH Dortmund, Berlin,

19.09.2003 - 20.09.20032004 – Forschung an der FH Dortmund: das Jahr Das Cityfahrzeug „eLTeC MP“, der Technik Bochum, 01.10.2004