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Fachhochschule Dortmund Sommersemester 2006 Fachbereich: Maschinenbau Studiengang: Fahrzeug- und Verkehrstechnik
Konzeptstudie zur Entwicklung eines Formula Student-Fahrzeuges an der
FH-Dortmund Autoren: cand.-ing. Björn Fischer cand.-ing. Daniel Martinez Fach: Fahrzeugkonstruktion Betreuer: Prof. Dr.–Ing. Herbert Funke
Inhalt Seite 1 Aufgabenstellung……………………………………………………………... 1 2 Einleitung……………………………………………………………………… 2 3 Der Wettbewerb………………………………………………………………. 3 3.1 Der statische Teil………………………………………………………... 3 3.1.1 Design……………………………………………………………. 3 3.1.2 Präsentation………………………………………………………. 4 3.1.3 Kosten……………………………………………………………. 4 3.2 Der dynamische Teil……………………………………………………..4 3.2.1 Technische Inspektion…………………………………………… 4 3.2.2 Beschleunigung…………………………………………………... 4 3.2.3 Skid Pad / Figure 8……………………………………………….. 5 3.2.4 Sprint / Autocross…………………………………………………5 3.2.5 Rennen über eine Distanz von 22km…………………………….. 5 3.2.6 Verbrauch………………………………………………………… 5 4 Technische Details eines Formula Student Fahrzeuges……………………. 6 4.1 Chassis…………………………………………………………………… 6 4.1.1 Rohrahmen………………………………………………………..6 4.1.2 Monocoque aus FVK…………………………………………….. 6 4.1.3 Hybrid-Bauweise………………………………………………… 7 4.2 Motor. …………………………………………………………………… 8 4.2.1 Motoren mit Aufladung………………………………………….. 8 4.2.2 Saugmotoren……………………………………………………... 9 4.3 Triebstrang……………………………………………………………… 12 4.3.1 Getriebe…………………………………………………………... 13 4.3.1.1 Kegel-Ring-Getriebe…………………………………… 13 4.3.2 Differential……………………………………………………….. 16 4.3.2.1 Torsen-Differential…………………………………….. 16 4.3.3 Antriebswelle…………………………………………………….. 19 4.4 Fahrwerk…………………………………………………………………19 4.4.1 Radaufhängung……………………………………………………20 4.4.2 Krafteinleitung in Federung / Dämpfung………………………….20 4.4.3 Federn und Dämpfer………………………………………………22 4.4.4 Bremse…………………………………………………………… 23 4.4.6 Felgen und Reifen…………………………………………………25 4.5 Lenkung…………………………………………………………………. 26 4.5.1 Zahnstangenlenkung………………………………………………27 4.5.2 Wandfluh-Lenkung………………………………………………. 27
4.6 Elektrik / Elektronik……………………………………………………. 28 4.6.1 Kabelbaum……………………………………………………….. 28 4.6.2 Telemetrie und Sensorik…………………………………………. 29 4.6.3 Display…………………………………………………………… 31 4.7 Sonstiges………………………………………………………………… 32 4.7.1 Der „Catch-Tank“………………………………………………... 32 5 Management…………………………………………………………………... 33
5.1 Produkt-Daten-Management…………………………………………... 33 5.1.1 Simultaneous Engineering……………………………………….. 34 5.2 Teamstruktur…………………………………………………………… 35
6 Kompetenzbereiche……………………………………………………………37 6.1 Labore an der FH-Dortmund………………………………………….. 37 7 Anhang………………………………………………………………………… 39 7.1 Die Geschichte der Formula SAE……………………………………… 39 8 Quellenverzeichnis……………………………………………………………. 41
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1 Aufgabenstellung Thema der Arbeit: Konzeptstudie zur Entwicklung eines Formula Student Fahrzeuges an der FH-Dortmund Aufgabenstellung: Im Einzelnen sind von den Studenten im Rahmen der Arbeit folgende Punkte zu bearbeiten:
- Ausführliche Recherche des technischen Standes derzeitiger Wettbewerbsfahrzeuge - Recherche zu den Organisationsformen anderer Wettbewerbsteams - Analyse der Erforderlichen Kompetenzbereiche - Analyse der Vorhandenen Kompetenzbereiche - Vorschlag zur Strukturierung eines Projektteams und Aufbau eines Projektplanes - Konzeptentwurf eines Fahrzeuges - CAD-Konstruktions-Erstellung und ein maßstäbliches Fahrzeugmodell
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2 Einleitung
1976 findet der erste von der amerikanischen Society of Automotive Engineers (SAE)
initiierte Wettbewerb statt. Dies war ein Konstruktionswettbewerb für Studierende, bei dem es
das Ziel war, ein geländegängiges Gefährt mit einheitlichem Rasenmähermotor zu entwerfen
und zu bauen. Aus diesem Wettbewerb hat sich über die Jahre hinweg ein interessantes
internationales Kräftemessen für Studenten und deren Fachhochschulen/Universitäten
entwickelt. 2006 nehmen rund 270 Teilnehmer an 6 verschiedenen Wettkampforten weltweit
teil.
Ziel ist es einen Prototypen im „Formel-Design“ zu entwerfen, konstruieren und dann auch zu
fertigen. Daraus soll dann laut Aufgabenstellung eine Kleinserie entstehen die mit vier
Fahrzeugen pro Tag gefertigt werden soll.
Die Formula Student begeistert auf der einen Seite durch Rennsport, den die Studenten
hautnah erleben, auf der anderen Seite werden Sie frühzeitig gefordert und zu Ingenieuren
geformt, die bereits im Studium lernen selbstständig zu arbeiten und ihre Lösungen in der
Praxis umzusetzen. Dies erfordert auch eine Nahe Zusammenarbeit mit Industrie und
Wirtschaft.
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3 Der Wettbewerb
Der Wettbewerb selbst ist in drei Klassen unterteilt. In Klasse drei werden Teams bewertet,
bei denen lediglich Konzept und Konstruktionszeichnungen fertig sind. Während die
Fahrzeuge der zweiten Klasse schon teilweise fertig gebaut aber noch nicht fahrbar sind,
treten die Rennautos in der ersten, der "Königsklasse", vollkommen fahrtauglich auf der
Rennstrecke gegeneinander an.
Das Ziel eines jeden Teams besteht darin in Klasse 1 zu starten um sich auf der Rennstrecke
zu messen, wenn es sich auch nicht bei allen direkt im ersten Jahr umsetzen lässt.
Der Klasse 1 Wettbewerb besteht aus 3 Statischen und 5 Dynamischen Disziplinen:
Bewertung
Verbrauch DesignPräsentation
Kosten
Beschleunigung
Skid Pad / Figure 8
Sprintrennen
22Km Rennen
3.1 Der statische Teil (max. 325 Punkte)
3.1.1 Design (150 Punkte)
Bei diesem Wettbewerb können die Preisrichter Punkte nach eigenem Ermessen vergeben.
Beurteilt werden soll die Ingenieursleistung und Entwicklungsarbeit die in den Wagen
eingeflossen ist. Dies geschieht wieder in einem Gespräch, dabei kann Präsentationsmaterial
verwendet werden, Daten und Ergebnisse von Tests und Simulationen sollten präsentiert
werden.
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3.1.2 Präsentation (75 Punkte)
Das Team präsentiert seinen Rennboliden den Juroren. Während einer rund 10 minütigen
Präsentation, wird dabei von der Annahme einer Kleinserienproduktion des Wagens
ausgegangen. Das Team muss die Juroren von den Vorteilen ihres Produkts überzeugen. Eine
anschließend 5 Minuten dauernde Fragerunde schließt die Präsentation ab.
3.1.3 Kosten (100 Punkte)
Bereits vor dem Wettbewerb müssen alle Teams ihre Kostenanalyse einschicken. In dieser
Analyse sind detailliert alle Ausgaben für Material, Teile und Fertigung des Wagens
aufgeführt. Nach einer formalen Prüfung gibt es noch eine kurze Diskussion mit einem
Preisrichter. Es soll möglichst genau der Preis für den Wagen, in einer Kleinserie gefertigt,
festgelegt werden.
3.2 Der dynamische Teil (max. 675 Punkte)
3.2.1 Technische Inspektion
Um an den dynamischen Wettbewerben teilnehmen zu können muss jeder Wagen die
technische Inspektion bestehen. Diese besteht aus einer Sichtprüfung durch die Preisrichter,
einem Kipp-Test bei dem die Dichtigkeit von Tank, Kraftstoff- und Bremsleitungen sowie der
Lärmmessung (max.110 dB).
3.2.2 Beschleunigung (75 Punkte)
Bewertet wird die benötigte Zeit um aus dem Stand eine Strecke von 75m zu fahren.
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3.2.3 Skid Pad / Figure 8 (50 Punkte)
Es wird eine Strecke in Form einer Acht auf Zeit gefahren. Der Kurs ist so aufgebaut dass der
Kurvenradius konstant ist.
3.2.4 Sprint / Autocross (150 Punkte)
Die Bezeichnung Autocross ist hier nicht wörtlich zu nehmen. Es handelt sich um ein kurzes
Sprintrennen in dem die Fahrzeuge einzeln über einen ca. 800m langen Kurs fahren.
Die einzelnen Passagen sind im Reglement festgelegt.
3.2.5 Rennen über eine Distanz von 22km (350 Punkte)
In der wichtigsten und schwierigsten Disziplin müssen die Teams 22km (22Runden) auf
einem Rennkurs am Stück fahren. Nach 11 Runden wird der Fahrer gewechselt, getankt
werde darf aber nicht. Es fahren mehrere Teams gleichzeitig. Aus Sicherheitsgründen darf
allerdings nur an einigen wenigen Stellen überholt werden.
In Detroit kamen 2004 von den 140 Teams ungefähr 40 durchs Ziel. Der Rest blieb wegen
technischer Defekte oder Spritmangel liegen. 2004 war allerdings noch die Größe des Tanks
beschränkt. Diese Einschränkung wurde inzwischen aufgehoben.
3.2.6 Verbrauch (50 Punkte)
Der Verbrauchswettbewerb ist gewissermaßen teil des Ausdauer Wettbewerbs. Es wird
ermittelt wie viel Benzin während des Ausdauer Wettbewerbs verbraucht wurde.
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4 Technische Details eines Formula Student Fahrzeuges
4.1 Chassis
Das Reglement sieht hier lediglich vor, dass es sich um einen offenes Fahrzeug im Formel-
Design mit freistehenden Rädern und Mindest-Radstand von 1525 mm handeln muss.
Der Rahmen eines Rennfahrzeugs hat zwei wesentliche Aufgaben zu erfüllen: Er muss zum
Einen dem Fahrer einen sicheren und außerdem ergonomisch und funktional gestalteten
Arbeitsplatz bieten, zum Anderen die anderen Baugruppen und Aggregate des Wagens tragen
und so miteinander verbinden, dass sie entsprechend der Idee ihrer Konstrukteure
funktionieren können.
4.1.1 Rohrahmen
Viele Teams konstruieren Rohrahmen aus Stahl-
oder Aluminiumrohren welche mit einer GFK-
Karosse verkleidet werden. Diese Rahmen sind vor
allem kostengünstig und einfach herzustellen und
können meistens direkt an den Standorten der
Teams angefertigt und angepasst werden.
Vorteilhaft lässt sich auch leicht ein Prototyp z.B.
aus Holz anfertigen, um u. a. die Ergonomie der
Fahrgastzelle zu Testen um diese gegebenenfalls an
den Fahrer anzupassen.
4.1.2 Monocoque aus FVK
Mittlerweile haben aber auch Monocoques ihren Einzug in die FSAE gefunden. Das
Monocoque besteht dabei, wie der Name schon sagt, aus einem Teil. Die Herstellung solcher
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Monocoques ist allerdings aufwendiger und vor allem weitaus teurer als die eines
Rohrahmens im Vergleich.
Im Gegensatz zum Rohrahmen bietet die Konstruktion eines Monocoques sozusagen die
höhere spezifische Steifigkeit, da bei ihr hauptsächlich Faserverbundwerkstoffe mit
Kohlefaser eingesetzt werden. Dabei wird oft eine Sandwichbauweise angewendet, wodurch
die Steifigkeit nochmals erhöht werden kann, aber gleichzeitig das Gewicht reduziert wird.
4.1.3 Hybrid-Bauweise
Eine Sonderbauform des Rahmens bildet das so genannte „Hybrid-Konzept“. Hierbei bilden
ein Kohlefaser Monocoque im vorderen Bereich und ein Metallrahmen, z.B. Rohrahmen, im
hinteren Bereich ein einheitliches Chassis (Bild rechts). Die bei gleichem Gewicht deutlich
besseren Torsions- und Biegesteifigkeiten
dieses Hybrid-Konzepts aus Monocoque
und Heckrahmen ermöglichen dem
Fahrwerk, mit höherer Präzision zu arbeiten,
während die flächige Struktur der
Fahrgastzelle den Fahrer auch in Situationen
zu schützen vermag, in denen andere
Rahmenkonstruktionen bereits final
versagen. Durch die geschickte Materialwahl und einen durchdachten Aufbau des Laminates
ist somit ein umfangreicher Insassenschutz möglich.
Das Team aus Graz setzt Rahmen ebenfalls auf das Hybrid Konzept. Der Heckrahmen wird
hierbei im Feingussverfahren hergestellt und erfüllt die Aufgaben eines Rahmenhinterteils
und eines Differentialträgers. Und das bei einem Gewicht von nur 3,5kg!
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4.2 Motor
Das Reglement legt einen oder mehrere Viertakt-Ottomotoren mit zusammen max. 610 ccm
und 20mm Luftmengenmesser als Begrenzer fest. Es bestehen aber keine Beschränkung
hinsichtlich Zylinderzahl oder Motoraufladung durch Turbo- o. Kompressormotor.
Als Basis dienen meist Motorradmotoren die durch mechanischen Eingriff und
freiprogrammierbare Steuergräten für die Anforderungen eines Formel Student Fahrzeugs
angepasst werden.
4.2.1 Motoren mit Aufladung
Beispiel:
Die österreichische FH Joanneum greift als eins der wenigen Teams auf einen Kompressor
aufgeladenen Motor zurück.
Als Basis dient hier ein 4-Ventil Rotax Motor der ansonsten seinen Einsatz in einer
BMW F 650 GS fristet.
Technische Daten:
Hubraum: 609ccm (Basis: 651.88ccm)
Zylinderzahl: 1
Leistung: 57KW (bei 7000 U/min)
Drehmoment: 88 Nm (bei 6000 U/min )
Aufladung: Kompressor
(0.9bar Ladedruck)
Abb.: Serienmotor Rotax Typ 654
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Um den Motor auf die neuen Anforderungen mit dem Kompressor anzupassen und auf den
maximal zulässigen Hubraum zu reduzieren wurden einige Veränderungen vorgenommen:
- Einspritzdüsen
- Kompressor
- Kolben
- Verdichtung erhöht
Abb.: Leistungs-/ und Drehmomentkurve nach der Optimierung
4.2.2 Saugmotoren
Meist greifen die Teams hier auf 4-Zylinder Motoren zurück.
Die jeweiligen Motoren werden auf eine Trockensumpfschmierung umgerüstet. Dies erfolgt
einerseits, um die Schmierung auch bei extremen Beschleunigungszuständen zu
gewährleisten, da beim Motorrad infolge der Seitenneigung keine Querbeschleunigung auf
das Öl einwirkt. Andererseits um den Motorschwerpunkt abzusenken und das Ölvolumen zu
optimieren. Die Tu München zum Beispiel konnte somit den Motor 17cm tiefer einsetzen, als
das sonst der Fall gewesen wäre. Das Öl wird dabei von einer Pumpe über geschaltete
Absaugstellen in einen Tank gepumpt und wahlweise gekühlt.
Um den Ladungswechsel optimal gestalten zu können, bedienen sich die Studenten z.B. dem
Simulationsprogramm AVL-Boost. Dies ist ein Motorsimulationsprogramm, das die
eindimensionale Gasdynamik im Ansaug- und Auspuffsystem berücksichtigt. Es ist geeignet,
sowohl den stationären Betrieb eines Motors, als auch instationäre Vorgänge (Beschleunigung
- Verzögerung, Lastaufnahme - Lastrücknahme) zu simulieren.
Die dabei ermittelten Ergebnisse können direkt in die Konstruktion einfließen.
Um den Anforderung speziell für den Renneinsatz gerecht zu werden, müssen die Motoren
für ihren Einsatz abgestimmt werden. Dies geschieht über einen längeren Zeitraum am
Motorprüfstand.
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Musterbeispiel ist der Vorjahressieger, das Team aus Graz:
Der Basismotor stammt von der Yamaha YZF R6 BJ2003. Der Motor wurde ebenfalls
komplett überarbeitet und speziell für die Anforderung bei Formula Student neu aufgebaut.
Technische Daten:
Hubraum: 600ccm
Zylinderzahl: 4
Leistung: 68 KW
Drehmoment: 65 Nm (bei 8000 U/min )
Aufladung: keine
Abb.: Software AVL-Boost
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In Aachen setzt man auf ein etwas anderes Konzept. Hier wird nicht auf einen vorhandenen
Motor zurückgegriffen, sondern es wurde zusammen mit der Firma Mahle ein eigener
Rennmotor für die Formula Student entwickelt.
Technische Daten:
Hubraum: 609 ccm
Zylinderzahl: 3
Leistung: ca 60 KW
Drehmoment:
Aufladung: keine Abb: Motor der Firma Mahle mit Getriebe
Der hochdrehende Dreizylinder-Viertakt-Reihenmotor hat einen Hubraum von 609ccm.
Durch Einsatz von Aluminium konnte das Gewicht auf nur 35 kg gesenkt werden.
Folgende Änderungen wurden durchgeführt:
- abgestimmtes Ansaugsystem von der Ecurie Aix (so nennt sich das Team Aachen)
entwickelt, das durch Vierventilanordnung, zwei oben liegenden Nockenwellen und
Saugrohreinspritzung erweitert wurde.
- Leichtbaukonzepte bei Kurbelwelle, Pleuel und Kolben ermöglichen geringe bewegte
Massen und somit ein schnelleres Ansprechverhalten des Motors
- Die Querstromkühlung im Zylinderkopf sorgt für gleichmäßige thermische Belastung.
- Die Steuerung des Ventiltriebs läuft über Zahnräder, da ein Zahnradtrieb bei hohen
Drehzahlen sehr exakt und leichter als ein Kettentrieb ist.
- Die Kurbelwelle wird axial von vorne mit Schmieröl versorgt, wodurch die Ölpumpe
entlastet und die Schmierung der Pleuellager verbessert wird.
- Ein extrem flacher Ölsumpf ermöglicht eine geringe Motorbauhöhe und somit tiefe
Schwerpunktlage im Fahrzeug
- Zur Kompensation der Kippmomente 1. Ordnung ist der Motor mit einer Ausgleichswelle
ausgestattet.
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- Als weitere Eigenentwicklung ist die neue 3-in-1 Auspuffanlage zu erwähnen, bei der ein
besonderes Augenmerk auf die Optimierung des Staudrucks bei gleichzeitig niedrigerer
Lautstärke gelegt wurde, deren Betrieb somit absolut reglementkonform ist.
- Die Motorsteuerung wird von einer frei programmierbaren Motec übernommen
4.3 Triebstrang
Die Kraftübertragung vom Getriebe zur Antriebsachse wird durch einen Riemen- oder
Kettenantrieb realisiert, wobei der Kettenantrieb die sicherere Variante darstellt. Es wir
zumeist auf Heckantrieb gesetzt. Dies ist auch die einfachste Methode der Kraftübertragung,
da sich bei allen Fahrzeugen der Motor hinten befindet. Allradfahrzeuge sind noch die
Ausnahme. Die FH Joanneum setzt dies jedoch, wie im unteren Bild sichtbar, über 2
Kettenantriebe, anstatt einer Kardanwelle, erfolgreich um. Dies zeigt das untere Bild
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Abb.: Kettentrieb mit Zahnrad, Kette
und Ritzel am Getriebe
4.3.1 Getriebe
Vom Regelwerk her gibt es keine Beschränkungen hinsichtlich der Getriebe. Die meisten
Teams greifen auf die Serienmotorradgetriebe zurück. Diese werden dann je nach Auslegung
noch modifiziert. Geschaltet wird sequenziell über Schalthebel mit Bowdenzug oder über eine
Wippe (Team Graz) am Lenkrad. Die Komponenten kommen aus dem Motorrad-Sektor, die
Übersetzung zwischen Ritzel und Kettenrad wird meistens erst während der Testphase
festgelegt.
4.3.1.1 Kegel-Ring-Getriebe
Eine spezielle Bauart des Getriebes bildet
das Kegel-Ring-Getriebe. Nicht nur beim
Aachener Team hat sich die prognostizierte
Überlegenheit des stufenlosen
Kegelringgetriebes bestätigt. Sie resultiert
aus der zugkraftunterbrechungs-losen
Kraftübertragung, dem Betrieb des Motors
im optimalen Leistungspunkt und der für den
Fahrer einfachen Handhabung des Getriebes.
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Das Prinzip des Kegel-Ring-Getriebes ist schon sehr alt, diese Getriebe wurden bisher aber
überwiegend in Werkzeugmaschinen eingesetzt. Erst durch den Einsatz von leistungsfähiger
Elektronik ist die sichere Steuerung eines Kegel-Ring-Getriebes heutzutage auch im
Automobilbereich möglich.
Kernstück des Getriebes ist dabei der Kegel-Ring-Variator. Der Variator besteht im
Wesentlichen aus zwei gegenüber angeordneten Kegeln und einem dazwischen laufenden
Ring. Diese Übertragungselemente sind im Betrieb durch einen Ölfilm voneinander getrennt.
Der Traktionseigenschaft des Öls kommt damit eine entscheidende Bedeutung zu. Um das Öl
hinsichtlich Leistungsübertragung optimal gestalten zu können, sind im KRG die Ölräume für
die Lagerung und die stufenlose Reibkraftübertragung von-einander getrennt.
Als Anfahrelement sind grundsätzlich alle in der Automobilindustrie bekannten Systeme
möglich. Da das KRG aufgrund seiner mechanischen Anpressung keine Druckölpumpe
benötigt, bietet sich eine automatisierte Trockenkupplung mit ihrem systembedingten hohen
Wirkungs-grad besonders an.
Das schnelle Anfahren der geforderten Übersetzungsposition erfolgt durch kleine
Lenkbewegungen am Übertragungsring durch die meist elektrische Verstelleinheit (1).
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Aufgrund Tauchschmierung von Variator und Verzahnungen und einer rein mechanischen
Anpresseinheit (2) zur Klemmkrafterzeugung benötigt das KRG keine Hydraulik. Daraus
resultieren hohe Wirkungsgrade und ein niedriges Gewicht. Die stufenlose
Übersetzungsanpassung erfolgt über zwei Kegel und einen Ring. Diese Übertragungselemente
sind im Betrieb durch einen Ölfilm voneinander getrennt. Der Traktionseigenschaft des Öls
kommt damit eine entscheidende Bedeutung zu. Um das Öl hinsichtlich Leistungsübertragung
optimal gestalten zu können, sind im KRG die Ölräume für die Lagerung und die stufenlose
Reibkraftübertragung voneinander getrennt.
Das Konzept des stufenlosen Getriebes bietet viele Vorteile gegenüber einem herkömmlichen
Schaltgetriebe:
1. hohe Leistungsdichte
2. guter Wirkungsgrad
3. hohe Verstellgeschwindigkeiten
4. niedrige Herstellkosten
Die Fahrstrategie sollte bei der FSAE so ausgelegt werden, dass der Motor immer in seinem
Punkt optimaler Leistungsfähigkeit betrieben wird. Zusammen mit dem Wegfall von
Zugkraftunterbrechungen beim Schalten ergibt sich das optimale Beschleunigungsvermögen
in jedem Geschwindigkeitsbereich. Dies ist für einen Wettkampf wie die Formula Student
sehr wichtig, da auf sehr engen Kursen gefahren wird, die neben den Qualitäten des
Fahrwerks gerade das Beschleunigungsvermögen fordern. Außerdem kann sich der Fahrer
ganz auf den Streckenverlauf konzentrieren, da die Steuerung des Getriebes vollständig
automatisch erfolgt.
Für den Wettbewerb kommt es aber nicht nur auf fahrdynymische Aspekte an. Wie bereits in
Kapitel 3.1.3 erwähnt, spielen die Kosten ebenfalls eine wichtige Rolle. Benchmark-
Untersuchungen bezüglich Herstellungskosten zeigen eindeutige Vorteile zugunsten des
Kegel-Rad-Getriebes, weil grundlegende Funktionen durch rein mechanische Lösungsansätze
erreicht werden. Auch geringe Toleranzanforderungen an die Übertragungsteile bringen
weitere Pluspunkte im System- und Preisvergleich.
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4.3.2 Differential
Nicht nur bei den Getrieben, sondern auch bei den Differentialen wird auf Serienteile der
Automobilindustrie gegriffen. Das wesentliche Problem hierbei ist aber der, im Vergleich
zum Pkw, wesentlich geringere Bauraum der zur Verfügung steht. Ein herkömmliches
Achsgetriebe oder Differential eines Pkw, würde hier auch aus gewichtstechnischen Gründen
wenig Sinn ergeben. Aufgrund der geringen Größe bieten sich hier vor allem
Zentraldifferentiale von Allrad-Fahrzeugen an.
4.3.2.1 Torsen-Differential
Herzstück des Teams aus Graz ist dieses Jahr wieder das selbstsperrende Torsen-Differential,
welches auch im Audi Quattro als Mitteldifferential des Allradantriebes verwendet wird.
Durch den neuen Aluguss-Differentialträger, der den gesamten hinteren Rahmen ersetzt,
ändert sich aber die gesamte Konstruktion um das Differential herum. Über eine Hohlwelle,
auf der das Kettenrad und auch die Bremsscheibe sitzen, wird das Antriebsmoment an das
Differentialgehäuse weitergegeben. Das Torsen-Differential teilt dann das Moment auf die
Halbwellenflansche auf.
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Ein großer Vorteil des Torsen-Differentials ist die kompakte Bauform, dies wird auch in der
folgenden Abbildung deutlich, die Länge des Differentials beträgt hier ungefähr 150mm (ca. 6
Zoll).
Auf der folgenden Seite wird die Funktion des Torsen-Differentials allgemein etwas näher
erläutert.
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Das Bild oben zeigt eine Explosionszeichnung des Torsen-Differentials. Das Linke
Schneckenrad ist (rot) mit den linken drei, im Gehäuse gelagerten Schneckenrädern
verbunden. Das gleiche (in Pinkfarben) auf der rechten Seite. Die gradverzahnten Rädern an
den drei Schneckenrädern (gelb, blau und grün) links im Gehäuse sind mit den
gradverzahnten Rädern rechts im Gehäuse verbunden.
Bei Geradeausfahrt drehen das Gehäuse und die beiden Schneckenräder für rechte- und linke
Seite gleich. Die sechs Schneckenräder im Gehäuse übertragen das Drehmoment gleichmäßig
und drehen sich nicht.
Könnte das rechte Rad keine Haftung aufbauen, so würde ohne Sperrwirkung das
Schneckenrad zum linken Rad still stehen. Die drei Schneckenräder im Gehäuse links
würden sich auf diesem abwälzen und über ihre gradverzahnten Räder die drei
Schneckenräder rechts im Gehäuse antreiben. So hätte das Schneckenrad zum rechten Rad die
doppelte Drehzahl. Jedoch verhindert die Schrägverzahnung der Schneckenräder
untereinander (rot und pink) das glatte Abrollen. Je nach Winkel der Schrägverzahnung wird
immer auch etwas Drehmoment auf das Linke Rad übertragen. Die Sperrwirkung entsteht also
aus der Selbsthemmung zweier Schrägverzahnungen, wie sie für Schneckentriebe typisch ist.
Sie wird bestimmt durch den Grad der Schrägverzahnung.
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4.3.3 Antriebswelle
Eine besondere Herausforderung ist die Auslegung und Konstruktion der Antriebswellen. Je
nach Bauart des Differentials variiert auch die Bauform der Antriebswellen. Diese können als
volle oder hohle Wellen ausgeführt werden. Das Team aus Graz verwendet hier Hohlwellen,
ein Dreh- und Frästeil, von der Firma Pankl.
Sie muss nicht nur das Antriebsmoment vom Kettenrad an das Differential weiterleiten,
sondern auch noch die Bremsmomente aufnehmen. Damit der nur geringe Bauraum, der trotz
der großen Kräfte zur Verfügung steht, optimal ausgenutzt wird, werden diese Teile mittels
FE-Berechnung optimiert.
4.4 Fahrwerk
Hauptziel der Fahrwerksentwicklung ist es, den größtmöglichen Kraftschluss zwischen Reifen
und Fahrbahn zu erreichen. Dazu müssen sich die einzelnen Subsysteme optimal ergänzen.
Allerdings sind hier Kompromisse notwendig, um gegenläufige Entwicklungsziele
miteinander zu vereinbaren. So gilt es zum Beispiel, bei möglichst geringem Gewicht den
Ansprüchen der Festigkeit zu genügen.
Um diese Anforderungen zusätzlich möglichst kostengünstig umzusetzen, werden bei den
Teams diverse Softwaretools eingesetzt.
Beim Formula Student Team aus Aachen als Beispiel kam MSC.ADAMS/CAR bei der
Kinematikauslegung und der Berechnung der Fahrwerkskräfte zum Einsatz, zum anderen
wurden verschiedene FEM-Tools bei Festigkeitsberechnungen angewendet. Die konstruktive
Ausarbeitung, die Kollisionsprüfung, sowie die Ableitung der Fertigungszeichnungen erfolgte
mit CATIA. Um das Hauptentwicklungsziel der Gewichtsreduzierung zu realisieren, wurde
eine Vielzahl von Schleifen zwischen CAD und FEM durchlaufen.
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4.4.1 Radaufhängung
Bei nahezu allen Formula Student Fahrzeugen kommen an Vorder- und Hinterachse
Doppelquerlenkerradaufhängungen zum Einsatz. Bei dieser Form der Radaufhängung wird
das Rad über zwei Querlenker geführt. Diese Bauform hat sich im Motorsport aufgrund der
Einfachheit und gleichzeitig großen Auslegungsfreiheit als die beste Lösung etabliert, deutlich
zu erkennen an allen Formel 1 Fahrzeugen. Der Querlenker ist eigentlich die Kombination
von zwei Lenkern, deren Anlenkpunkte am Rad zusammengesetzt wurden. Je ein Querlenker
oben und unten führen das gelenkte Rad über je ein Kugelgelenk. Die Feder- und
Dämpferkräfte können sowohl am oberen als auch am unteren Querlenker angreifen.
Der Vorteil der Doppelquerlenkerradaufhängung ist eine gute Anpassbarkeit an die
gewünschte Kinematik. Die Länge der Lenker, die Einleitung der Kräfte und die Lage der
Lenkerachsen sind hierbei entscheidend. Nachteilig sind allerdings der größere Aufwand und
ein relativ breiter Bauraum.
4.4.2 Krafteinleitung in Federung / Dämpfung
Bei der Doppelquerlenkerradaufhängung kann man bei der Anordnung der
Feder/Dämpfereinheit mehrere Varianten wählen. Bei den Formula Student Fahrzeugen wird
die Feder/Dämpfereinheit aber nicht wie in den meisten Pkw direkt am Querlenker befestigt.
Die Einleitung der Kräfte vom Querlenker in die Feder/Dämpfereinheit wird über ein
Gestänge realisiert, welches an einem Ende am Radträger selbst oder an einem der Querlenker
und am anderen Ende meistens über einen Umlenkhebel mit der Feder/Dämpfereinheit
verbunden ist.
Man unterscheidet hierbei zwei verschieden Systeme, Pushrod (Druckstab) und Pullrod
(Zugstab). Die Unterschiede hierbei liegen in der Art der Betätigung des Umlenkhebels,
welche gezogen oder gedrückt erfolgen kann. Es können selbstverständlich beide Varianten
an Vorder- bzw. Hinterachse eingesetzt werden.
Das Team aus Aachen setzt in dem neusten Modell EAC03 an der Hinterachse ein Pushrod-
System ein. Die auftretenden Kräfte werden hierbei günstig, nämlich in Fahrtrichtung, in den
Rahmen eingeleitet. Pushrod-Systeme haben zudem den Vorteil, dass im unteren Bereich der
Radaufhängung mehr Platz vorhanden ist. Es kann also zusätzlich ein Stabilisator eingesetzt
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werden, durch welchen man das Eigenlenkverhalten des Wagens justieren und somit in
positiver Weise beeinflussen kann.
Bei Pushrod- und Pullrodsystemen kann auch noch die Anordnung der Feder/Dämpfereinheit
variieren. Diese kann z. B. horizontal oder vertikal, längs oder quer zur Fahrtrichtung
angeordnet sein. Eine in Fahrtrichtung liegende Anordnung der Feder/Dämpfereinheit ist
optimal, da das Chassis hierbei längs beansprucht wird und somit eine geringere Verwindung
des Chassis erreicht wird, als bei einer Querverbindung.
Die Folgenden Bilder zeigen einige Beispiele:
Doppelquerlenkerradaufhängung mit
Pushrod-System, deutlich sichtbar ist
die stehende Feder/Dämpfereinheit
Doppelquerlenkerradaufhängung mit Pullrod-System und stehender Feder/Dämpfereinheit
Hintere Doppelquerlenker-radaufhängung eines Formel 3 Rennwagens mit in Fahrtrichtung liegender Feder/Dämpfereinheit, betätigt durch Pushrods
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Vordere Doppelquerlenkerradaufhängung mit Pushrod-System. Hier wird deutlich sichtbar, dass die Feder/Dämpfereinheit in einer gedachten Verlängerung der Rahmen Bauteile liegen.
4.4.3 Federn und Dämpfer
Bei der Auswahl der Federn und Dämpfer spielt das Ingenieursgefühl eine große Rolle. Man
weiß zwar, welche Federraten in Straßenfahrzeugen und aktuellen Formelfahrzeugen
verwendet werden, doch wie hart oder weich ein siegfähiges Formula Student Rennfahrzeug
sein muss ist eine Frage, bei der die Meinungen weit auseinander gehen. Ebenso wichtig wie
die Abstimmung der Federraten ist die Auswahl der optimalen Dämpfer mit entsprechenden
Kennlinien. Viele Teams setzen hierbei Feder/Dämpfereinheiten wie sie bei Mountainbikes
eingesetzt werden (Bild rechts). Bevor man
sich mit der Auswahl der richtigen Dämpfer
beschäftigt, muss man ein genaues Bild über
die Lastfälle und die Aufgabe des Dämpfers,
besonders im Zusammenhang mit der Feder,
haben. Beim Einfedern des Rades wird der
Dämpfer zusammengedrückt um eine
kontrollierte Radbewegung zu ermöglichen,
beim Ausfedern kann er die Energie die in der
Feder gespeichert ist absorbieren. Nur eine optimal aufeinander abgestimmte
Feder/Dämpfereinheit bietet auch den optimalen „mechanischen Grip“, von welchem in
nahezu jeder Motorsport-Rennserie die Rede ist. Mountainbikedämpfer sind generell für den
Einsatz in einem Formula Student Rennwagen geeignet. Das Gewicht eines Mountainbikes
mit Fahrer beträgt ungefähr ein drittel von dem eines besetzten Formula Student Rennwagens.
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Bei dem Rennwagen kommen aber auch im Normalfall vier Dämpfer zum Einsatz, wodurch
das Gewicht kein Problem darstellt.
Bei neueren Mountainbikedämpfern ist allerdings Vorsicht bei der Auswahl geboten. Viele
Systeme haben am Anfang sehr hohe Dämpferkräfte, wodurch ein Wippen des Mountainbikes
beim Tritt in die Pedale vermieden werden soll. Falls diese Option nicht abgestellt, oder durch
Tuningmaßnahmen verändert werden kann, sind solche Dämpfer für den Einsatz im Formula
Student Rennwagen nur bedingt einsetzbar.
In der Regel handelt es sich aber um verstellbare Feder/Dämpfereinheiten. Die Vorspannung
der Feder lässt sich durch ein Gewinde stufenlos verstellen, die Zug- bzw Druckstufen des
Dämpfers lassen sich meist in ca. 10 Stufen verstellen. Die Eigenschaften des Dämpfers
lassen sich zudem über verschiedene Viskositäten der Öle verstellen. Da die Hersteller
solcher Dämpfer wissen, dass ihre Produkte in Formula Student Fahrzeugen eingesetzt
werden, unterstützen sie die Teams u. a. in dem Sie Dämpferkennlinien zur Verfügung stellen
und Spezialanfertigungen anbieten.
Nicht alle Teams bevorzugen aber Feder/Dämpfereinheiten aus dem Radsport. Einige Teams
kombinieren Mountainbikedämpfer mit Federn von renommierten Motorsport-Zulieferern
oder lassen diese speziell auf Ihre Bedürfnisse abgestimmt anfertigen.
Das Team aus Aachen setzt z. B. Federn der Firma Eibach ein. Die Dämpfer stammen von der
Firma Sachs Race Engineering, die mit einer Grundeinstellung nach Vorgaben des Teams
versehen sind, aber weit reichende Verstellmöglichkeiten in Zug- und Druckstufe bieten.
Die genaue Auswahl ist natürlich jedem Team selbst überlassen, es sollte aber immer daran
gedacht werden, dass bei der FSAE noch die Wirtschaftlichkeit eine Rolle spielt.
4.4.4 Bremsen
Bremsen gehören zu den wichtigsten Komponenten im Fahrzeug. Zum einen ist die
Sicherheit der Fahrer ein erheblicher Aspekt zum anderen muss die Bremseanlage so
konstruiert sein, dass sie gut dosierbar bleibt und auch nach längerem Einsatz die Wirkung
nicht nachläst (Fading). Die Rennboliden der FSAE sind an der Vorder- und Hinterachse mit
Scheibenbremsen ausgestattet, wobei sich an der Hinterachse aufgrund des Geringen
Gewichtes nur eine Scheibe befindet, welche mit dem Antriebsradzahnrad oder
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Riemenscheibe mit dem Differentialkörper verbunden ist. Bei den Bremsenssätteln wird auch
auf Serienbauteile zurückgegriffen. Oft werden leichte Bremssättel aus dem Zweiradbereich
oder auch aus dem Kartbereich verbaut.
Beispiel FH Amberg-Weiden:
Vorne: Sättel von der Suzuki GSF 600
Hinten: 1 Sattel zentral an der Hinterachse von der Yamaha FZS 600
Sowohl die vorderen als auch die hinteren Bremsscheiben sind von der Firma Lucas
hergestellt.
Sehr gut geiegnet sind z.B. Bremssättel der
Firma Wilwood, wie z.B. der abgebildete
„Wilwood Billet Dynalite“. Diese Bremssättel
sind speziell für den Kart- und Motorradsport
entwickelt worden und wiegen lediglich 700g
pro Sattel.
Bei den Scheiben handelt es sich sehr oft um Eigenkonstruktionen. Diese werden von vielen
Teams selbst entwickelt und z.B. im Lasercutverfahren hergestellt. Die Scheiben sind aus
Stahl, da der effektive Gewichtsvorteil von Aluminium-Keramik-Scheiben sehr gering ist und
die Stahlscheibe um einiges günstiger.
- 25 -
4.4.6 Felgen und Reifen
Da die Reifen nicht unter Zeitdruck bzw. während des Rennens getauscht werden müssen,
wird auf den aus der Formel1 bekannten Zentralverschluss verzichtet und auf ein
herkömmliches System mit 4 Radschrauben genutzt. Da die Fa. BBS sehr viele Teams
unterstützt findet man bei der FSAE überwiegend BBS Felgen.
Meistens werden bei der FSAE
Vorne 6Jx13 Zoll und
Hinten 8Jx13 Zoll
Verwendet.
Die Felgen sind eine dreiteilige Konstruktion
aus einem geschmiedeten Magnesiumstern
und je zwei Felgenhörnern aus Aluminium.
Nur bei sehr wenigen Teams werden sogar Felgen aus eigener Entwicklung und Herstellung
verwendet, wie bei dem niederländischem Team DUT Formula Student Racing Team aus
Delft. Den Bildern nach handelt es sich hier sehr wahrscheinlich um aus Aluminium gedrehte,
zweiteilige Felgen.
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Die Reifen werden hier aus Nachwuchsserien des Formel-Rennsports verwendet. Es handelt
sich überwiegend um Slicks (Diagonal- und Radialbauweise) bekannter Hersteller wie Avon,
Michelin, Continental, Dunlop oder Hoosier welche bereits weltweit in nahezu allen
Motorsportarten einen Namen haben.
Beispiele:
Hoosier Diagonal-Rennreifen 20.0x6.0x13 in R25A
AVON 6/19,5-13
Dunlop 450x170-10 P68
4.5 Lenkung
Die Fahrzeugführung erfolgt durch den Fahrer (fast ausschließlich) über das Lenkungssystem.
Für die Sicherheit ist es von erheblicher Bedeutung, mit welcher Genauigkeit einerseits der
Fahrer einen persönlich gewünschten oder vom Straßenverlauf vorgegebenen Kurs einhalten
kann, und andererseits das Fahrzeug eine solche Vorgabe selbständig einhält. Der Fahrer
muss immer das Gefühl haben, dass das Fahrzeug zuverlässig auf seinen Wunsch reagiert.
Die Genauigkeit der Kurshaltung ist umso besser, je schneller der Fahrer gewollte und auch
ungewollte Kursänderungen erkennen kann und je schneller und genauer das Fahrzeug auf
Lenkeinschläge des Fahrers reagiert.
Für den Kompetenzbereich „Lenkung“ ergeben sich daraus eine Anzahl von Anforderungen
und Hinweisen zur Auslegung des Lenksystems:
- Wendekreis und Lenkwinkel am Lenkrad
- Feinfühligkeit, Zielgenauigkeit, guter Geradeauslauf
- spontanes Ansprechen
- ausgeprägter Straßenkontakt
- gutes Feedback vom Kraftschluss zwischen Reifen und Fahrbahn
- selbständiges Rückstellen in Mittellage
- Störgrößenunterdrückung aus Fahrbahnunebenheiten, Antrieb, Bremsen,..
- geringe Neigung zu Eigenschwingungen
- Verschleiß- und Wartungsarmut
- Evtl. Crashverhalten
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4.5.1 Zahnstangenlenkung
Die vom Fahrer ausgeübte Lenkbewegung wir
in der Regel über ein Lenkgetriebe und
Lenkgestänge auf die Räder übertragen. Dies
wird bei den FSAE Fahrzeugen hauptsächlich
durch eine Zahnstangenlenkung realisiert,
welche sich über den Beinen des Fahrers
befindet (Bild rechts). Bei dieser Art von
Lenksystemen wird die Drehbewegung des
Lenkrades über eine Welle und ein Zahnrad direkt auf die Zahnstange übertragen und dabei in
eine Lineare Bewegung übersetzt. Eine Spurstange fungiert als Koppelglied zwischen dem am
Rahmen befestigten Lenkgetriebe und dem mit dem Radträger verbundenem Spurhebel.
4.5.2 Wandfluh-Lenkung
Neben der Zahnstangenlenkung kommt mittlerweile die so genannte Wandfluh-Lenkung in
der FSAE zum Einsatz. Diese Lenkung wird bei Supersportwagen eingesetzt, ist im Kartsport
Standart und wird in Zukunft mit großer Wahrscheinlichkeit auch in Pkw eingesetzt werden.
Die Wandfluh-Lenkung ist stark progressiv - im eigentlichen, wie auch im übertragenen Sinn.
Sie vereinigt die Vorteile einer direkten Lenkung mit den Vorteilen einer indirekten Lenkung.
Bei dieser Lenkung kann eine Lenkung
der Räder von Anschlag zu Anschlag
schon durch eine 140° Bewegung am
Lenkrad erfolgen. Der Effekt der Nicht-
Linearität wird mit dem Einsatz eines
speziell aufgebauten Kreuzgelenkes (Bild
rechts) erzielt. Diese Nutzung des
kardanischen Fehlers ist in den wichtigen
Industrienationen zum Patent angemeldet.
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4.6 Elektrik / Elektronik
Die Elektrotechnik spielt in einem Rennwagen eine wichtige Rolle: Neben steuerungs- und
regelungstechnischen Aspekten, etwa beim Motor oder dem Getriebe, dient sie nicht zuletzt
zur fahrzeuginternen Kommunikation. Sie ist die Schnittstelle zwischen Sensorik und
"Benutzer": dem Fahrer und den Teammitgliedern am Streckenrand. Sie liefert wichtige
Informationen über den Zustand des Fahrzeugs und dessen Fahreigenschaften. So können
gezielt Optimierungen an einzelnen Teilen des Rennwagens vorgenommen und deren Einfluss
ausgewertet werden.
Die Elektrotechnik besteht hauptsächlich aus dem Kabelbaum, einer Batterie und
Lichtmaschine, diversen Sensoren, einigen Steuergeräten und Microcontrollern, einem
Display mit Bedienelementen, sowie einem Bremslicht. Die wichtigsten Komponenten
werden hier im Folgenden detaillierter beschrieben.
4.6.1 Kabelbaum
Als zentrale elektrotechnische Komponente nimmt der Kabelbaum die wichtigste Aufgabe
wahr: Er sorgt einerseits für die Stromversorgung aller elektrischen und elektronischen Geräte
(und deren Absicherung), andererseits führt er auch die physikalischen Leitungen des CAN-
Busses (Controller Area Network). Der CAN-Bus verbindet die gesamte Sensorik, die
Steuergeräte und das Display miteinander. Das Aachener FSAE Team benutzt hier als
Beispiel öl-, feuchtigkeits- und schmutzbeständige Kabel, die von der Firma „Lapp Kabel“
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zur Verfügung gestellt wurden. Zusammen mit den Steckern von der Firma „Delphi“ sind sie
die ideale Lösung für spezielle Anforderungen im Rennsport.
4.6.2 Telemetrie und Sensorik
Die Sensorik kann wichtige Messwerte für die
Regelungstechnik des Getriebes, als auch die
Telemetrie liefern. Neben Eingangs- und
Ausgangsdrehzahl des Getriebes sind dies also
die Federwege der einzelnen Räder, die
Querbeschleunigung, die Gierrate des Wagens,
der Bremsdruck an der Vorder- und Hinterachse
und die Stellung des Lenkrades. Letztere dienen
der Feinabstimmung des Fahrwerks auf die verschiedenen Anforderungen während des
Rennens. Die Messwerte der Sensoren werden größtenteils von Microcontrollern der Firma
„PEAK-System Technik GmbH“ digitalisiert und
ausgewertet, die dann direkt auf dem CAN-Bus
zur Verfügung gestellt werden. Der CAN-Bus
erlaubt neben dieser fahrzeuginternen
Aufzeichnung der Messwerte hinaus auch den
Funktransfer der Sensordaten (über Wireless
LAN) auf ein Notebook, wo diese Daten
gespeichert und sogar während des Testbetriebes
in Echtzeit ausgewertet werden können. Den Mitgliedern der anderen Baugruppen stehen auf
diese Art und Weise aktuelle Daten zur Verfügung, die zur Optimierung der
Fahreigenschaften des Wagens verwendet werden können.
Den Datenaustausch zwischen Wireless LAN und dem CAN-Bus übernimmt bei dem
Aachener Rennwagen das "CANview WLAN", welches von der Firma „RM Michaelides
Software & Elektronik GmbH“ zur Verfügung gestellt wurde.
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Die australische Fa. „MoTec“ ist ein führendes Unternehmen bezüglich Elektronik im
Motorsport. Der Vorteil hier ist, dass man die gesamte Elektronik, die man im Motorsport
benötigt, aus einer Hand bekommt. Die
verschiedenen Komponenten sind
hierbei in Module aufgeteilt und
können erweitert und miteinander
kombiniert werden. Motec liefert aber
nicht nur die Hardware, sondern auch
die Telemetrie-Software für den PC.
Mit der Software können je nach
Sensorik sehr viele Daten aus dem
Fahrzeug abgelesen werden. Diese ermöglichen dann z.B. eine genauere Abstimmung des
Fahrzeuges, welche im idealen Fall von Strecke zu Strecke unterschiedlich sein sollte.
Das obere Bild zeigt einen Ausschnitt der Telemetrie-Software von „MoTec“. Die
Aufzeichnungen stammen aus der LolaChampcar-Rennserie und zeigen (von oben nach
unten) Geschwindigkeit des Fahrzeuges, Quer- und Längsbeschleunigung.
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4.6.3 Display
Das Display ist die wichtigste Schnittstelle zwischen dem Fahrer und der Sensorik. Hier kann
er alle relevanten Messdaten einsehen. Im Motorsport sind z.B. Displays der Firma „MoTec“
sehr weit verbreitet. Diese Lassen sich je
nach Bedarf individuell verstellen. Es ist
sinnvoll das Display dabei in zwei oder
mehrere Bereiche einzuteilen. In einem
Bereich sollten stets die
Geschwindigkeit und Motordrehzahl
angezeigt, in anderen Status- oder
Fehlermeldungen. In der Mitte des
Displays befindet sich z.B. ein flexibel
konfigurierbarer Teil, in dem der Fahrer mehrere Seiten auswählen kann, etwa wenn er
genauere Informationen über den Motor, das Getriebe oder die Fahrwerksdaten erfahren
möchte.
Dieses Bild zeigt das Display des
Stadia Teams aus Helsinki. Hier
werden u. a. Drehzahl des Motors
und Lambda-Werte, Wasser- und
Aussentemperatur, Öl- und Benzin-
und Reifendruck, und der
eingelegte Gang angezeigt.
- 32 -
4.7 Sonstiges
4.7.1 Der „Catch-Tank“
Da ein Rennfahrzeug sehr oft hohen Fliehkräften
beim Beschleunigen, Bremsen und Kurvenfahrten
ausgesetzt wird und zudem der Inhalt des Tanks auf
den Liter genau berechnet wird um Gewicht zu
sparen entsteht hier oft ein Problem.
Unter Volllast wird das Benzin im Tank durch die
Fliehkräfte nach außen weg gedrückt. So kann die
Pumpe kein Benzin mehr ziehen, sondern es
gelangt Luft in die Pumpe. Also integrierten die
Studenten der FH Wolfsburg in das Tanksystem,
mit einem Volumen von 9.Litern, einen
zusätzlichen Behälter; einen so genannten
„Catchtank“. Dieser wird ständig mit Benzin aus dem normalen Tank versorgt. So wird
sichergestellt, dass die Pumpe auch unter Volllast mit ausreichend Benzin versorgt wird. Ideal
ist es, wenn mehrere Pumpen im großen Tank zum Einsatz kommen.
- 33 -
5 Management 5.1 Produktmanagement Um einen Rennwagen zu Entwickeln und die dabei entstehenden Informationen und Daten
zur Konstruktion übersichtlich zu halten verwendet das TuFast Team aus München ein selbst
entworfenes Produktmanagementkonzept. Hierdurch lassen sich die Konstruktionsdaten
während des gesamten Produktentwicklungsprozesses mit der erforderlichen Übersicht
verwalten. Somit werden Schwachstellen hinsichtlich Zeitmanagement, Kosten, Gewicht und
Qualität des Rennwagens schnell sichtbar und können noch rechtzeitig abgeschafft werden.
Mit dem Produktdatenmanagementsystem „Smarteam“, sowie dem parametrischen 3D-
Konstruktionsprogramm „CATIA V5“ wird hier auf neueste Software gesetzt, welche sich
schon seit langem in der Automobilindustrie bewährt hat.
Das „Virtuelle Fahrzeug“ spielt dabei von der Konzeptphase bis hin zur Kleinserienplanung
die entscheidende Rolle. Durch Bauteilmonitoring in den Teambesprechungen und technische
Funktions- wie Kollisionsüberprüfungen, Gewicht- und Schwerpunktanalyse und FEM bildet
das Virtuelle Fahrzeug die Grundlage für alle Abstimmungen.
- 34 -
5.1.1 Simultaneous Engineering
Ein weiteres wichtiges „Werkzeug“ eines erfolgreichen Produktmanagementkonzeptes ist
„Simultaneous Engineering“. Grundgedanke des Verfahrens ist die zeitliche Überlappung
von eigentlich nacheinander folgenden Arbeitsabläufen. Sobald in einem Arbeitsablauf
genügend Informationen erarbeitet wurden, wird parallel der nächste Arbeitsablauf begonnen.
Dies führt teilweise zu Mehrarbeit, da nicht mit dem endgültigen Informationsstand gearbeitet
wird, sondern sich die Arbeitsgrundlage jederzeit verändern kann. Dafür können aber Fehler
schneller erkannt und rechtzeitig beseitigt werden, bevor sie in einer späteren Phase zu
größeren Problemen führen.
Traditionell waren Produktentwicklung und Produktionsmittelplanung zwei streng getrennte,
nacheinander folgende Schritte, was in der oberen Abbildung grün hervorgehoben wird.
Bei Anwendung von Simultaneous Engineering beginnt die Produktionsplanung bereits
früher. Sobald Teile des Produktes fertig entwickelt sind, oder auch nur vorläufige Versionen
davon ausgearbeitet sind, wird damit begonnen, deren Produktion zu planen. Die Entwicklung
läuft parallel dazu weiter, dies wird in der Abbildung blau verdeutlicht.
Vorteil dieser Vorgehensweise ist die Zeitersparnis dadurch, dass die Produktionsmittel
bereits teilweise geplant sind, wenn das Produkt fertig entwickelt ist.
- 35 -
Dieses Konzept kann nur erfolgreich umgesetzt werden, wenn alle Teammitglieder eng
zusammen arbeiten, am besten in der gleichen Konstruktionsumgebung. Jedes
Konstruktionsteam ist für seinen Bauraum verantwortlich. Durch eine fortlaufende
Aktualisierung der Daten können sich die Konstrukteure an den Schnittstellen sicher sein,
dass die Bauteile des Gegenüber auch dem wirklichen Planungsstand entsprechen.
Obwohl in der FSAE eigentlich nur Prototypen gebaut werden, muss Aufgrund des
Wettbewerbs das Fahrzeug in einer „simulierten“ Kleinserie von 4 Exemplaren pro Tag
gebaut werden.
5.2 Teamstruktur
Die Folgenden Organigramme zeigen einige Beispiele, wie sich die Teams der FSAE
organisiert sind. Da es hier nicht sehr viele Unterschiede zwischen den Teams gibt, werden
nur drei Beispiele gezeigt:
1. Beispiel: Hawks Racing Team aus Hamburg
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2. Beispiel: Bodensee Racing Team aus Konstanz
3. Beispiel: FHM Racing Team aus München
Grundsätzlich kann man keine gewisse Teamstruktur als vor- oder nachteilig bezeichnen, da
prinzipiell keine großen Unterschiede vorhanden sind.
Aus allen drei Beispielen wird deutlich, dass es vor allem wichtig ist dass die verschieden
technischen Bereiche zusammen arbeiten. Die Kommunikation zwischen der Technik und
z.B. dem Finanz-Bereich sollte über die Teamleitung erfolgen. Dieser Punkt wurde auch
schon genauer beim Simultaneous Engineering (Kapitel 5.1.1) erläutert.
- 37 -
6 Kompetenzbereiche
Wie schon aus dem Kapitel 4 (Technische Details eines Formula Student Fahrzeuges)
hervorgeht, benötigt man für die Entwicklung und Herstellung eines Formula Student
Fahrzeuges an der Fachhochschule in Dortmund ein gut strukturiertes, in verschiedene
Kompetenzbereiche aufgegliedertes Team mit einer Leitung. Aber auch die nötigen
Einrichtungen an der Fachhochschule, wie z.B. Laboratorien, Werkstätten und vor allem auch
aktuelle Entwicklungs-Software müssen vorhanden sein. Da an der Fachhochschule in
Dortmund verschiedene Fachbereiche mit Studiengängen wie z.B. Elektrotechnik,
Maschinenbau, Kommunikations- und Informationstechnik und selbstverständlich Fahrzeug-
und Verkehrstechnik vorhanden sind, werden hier größtenteils alle Kompetenzbereiche zur
Entwicklung eines FSAE Fahrzeuges abgedeckt. Dies ist ein sehr großer Vorteil, da man
umso mehr Kosten sparen kann, wenn man die Möglichkeiten an der FH-Dortmund voll
ausnutzt. Aber nicht jedes Team kann auch ein Fahrzeug komplett Herstellen. Da nicht an
jeder Universität und Fachhochschule moderne Fertigungsmaschinen vorhanden sind, werden
die Teile z.B. nur am Computer entwickelt und von externen Unternehmen oder Instituten
kostengünstig oder gar kostenlos gefertigt, da viele Unternehmen die FSAE freundlich
unterstützen und Sponsoren vieler Teams sind.
Im folgenden Kapitel werden die Laboratorien und Einrichtungen mit dem entsprechenden
Leiter (falls bekannt) an der Fachhochschule Dortmund aufgelistet, welche zur Entwicklung
eines Fahrzeuges nützlich sein könnten.
6.1 Labore an der Fachhochschule Dortmund
Maschinenbau und Fahrzeugtechnik...
- Labor für faserverstärkte Kusntstoffe (Prof. Dr.-Ing. Funke)
- CAE-Labor (Prof. Dr.-Ing. Heiderich)
- CAM-Labor (Prof. Dr.-Ing Streppel)
- CAM/CAQ-Labor (Prof. Dr.-Ing. Albien)
- Chemisches Labor (Prof. Dr. rer. nat. Abel)
- Energie-, Wärme-, Kälte- und Klimatechnik (Prof. Dr.-Ing. Ney)
- Labor für Fahrzeugtechnik
- 38 -
- Fügetechnik (Prof. Dr.-Ing. Groten)
- Hydraulik- und Pneumatik (Dipl.-Ing. Damrau)
- Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren (Prof. Dr.-Ing. Hilger)
- Normstelle für Konstruktionstechnik (Prof. Dr.-Ing. Wagner)
- Technologie-Center für Leichtbau (Prof. Dr.-Ing. Fischer)
- Labor für Schwingungstechnik und Akustik (Prof. Dr.-Ing. Borchert)
- Physik-Labor (Prof. Dr.rer.nat. Pinks)
- Rechnergestützte Planung und Steuerung (Prof. Dr.-Ing. Albien)
- Stahlbau (Prof. Dr.-Ing. Stracke)
- Strömungslehre und Strömungsmaschinen (Prof. Dr.-Ing. Geller)
- Mechanische Werkstatt (Dipl.-Ing. Nebelsiek)
…und im elektrotechnischen Bereich
- Labor für Mikroelektronik
- Digitale Signalverarbeitung
- Sensorik und Messtechnik
- Fahrzeugelektronik-Labor (Prof. Dr.-Ing. Krüger)
- Labor für Mess- und Regelungstechnik (Prof. Dr.-Ing. Liebelt)
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7 Anhang
7.1 Die Geschichte der Formula SAE
1976 findet der erste von der amerikanischen Society of Automotive Engineers (SAE)
initiierte Mini Baja Wettbewerb statt. Dies ist ein Konstruktionswettbewerb für Studierende,
bei dem es das Ziel ist, ein geländegängiges Gefährt mit einheitlichem Rasenmähermotor zu
entwerfen und zu bauen.
1979 wird eine neue Variante für Straßenfahrzeuge ins Leben gerufen, Mini Indy genannt.
Die Motoren sind die gleichen 5 PS Industrieaggregate wie bei der Mini Baja, elf Teams
nehmen teil.
1981 beschließt die SAE ein neues Regelwerk, das der Kreativität der Studenten möglichst
viele Freiräume gewährt, die Formula SAE entsteht. Die Motorenwahl ist nun freigestellt, vier
Teams nehmen teil.
1985 gibt es erneut eine tief greifende Veränderung des Regelwerks, ein neues Punktesystem
wird ausgearbeitet und ein Kostenreport wird vorgeschrieben. In diesem Jahr tritt zum ersten
Mal ein aufgeladener Motor zu einem Wettbewerb an.
1986 wird der Wettbewerb von den "The Big Three" (Chrysler, GM und Ford) gesponsert,
was die inzwischen gewonnene Bedeutung des Wettbewerbs unterstreicht.
1987 durchbricht das erste Fahrzeug die Schallmauer von 1g Querbeschleunigung auf dem
Skid-Pad.
1990 erreicht das erste und letzte Ground-Effect Auto 1.32g Querbeschleunigung und wird
nach dem Wettkampf verboten.
1991 richtet General Motors den Wettkampf aus. Der Team-Captain des Siegerteams wird
nach dem Wettkampf beim Chip Ganassis Cart Indy Racing Team verpflichtet.
- 40 -
1992 ist Ford der Ausrichter des Events.
1993 folgt Chrysler als letzter der Big Three.
1994 wird ein Formula SAE Konsortium mit Repräsentanten der Big Three und der SAE
gegründet.
1996 wird eine Teilnehmerzahl von 99 Teams erreicht.
1997 nimmt das erste europäische Team an der Formula SAE teil.
1998 wird der erste europäische Wettkampf ausgetragen, die Formula Student ist geboren!
2000 findet auf dem australischen Kontinent zum ersten Mal ein Wettbewerb der Formula
SAE-A statt.
2002 nehmen 55 Teams aus aller Welt an der Formula Student teil
- 41 -
8 Quellenverzeichnis Alle Informationen, Technische Daten und Bilder dieser Arbeit wurden den Internet-Seiten aller im Jahr 2006 registrierten Formula Student Teams entnommen. Es folgt eine Tabelle der registrierten Teams mit dem jeweiligen Link zur Homepage:
Team Universität Stadt Land Nr.
UQ Racing
http://www.uq.edu.au/fsae
UQ Brisbane Australien 71
Redback Racing UNSW Sydney Australien 63
Monash Motorsport
http://users.monash.edu.au/~fsae/
Monash Melbourne Australien 99
TUG Racing Team
http://www.racing.tugraz.at
TU Graz Graz Österreich 1
joanneum weasels racing team
http://www.joanneum-racing.at
FH Joanneum Graz Österreich 10
Lancers Motorsports
http://web2.uwindsor.ca
U Windsor Windsor Kanada 56
Stadia Motorsport
http://www.formula.stadia.fi/
Helsinki Polytechnic
Helsinki Finnland 3
student-racing team
http://www.student-rasind.de/
FH Stralsund Stralsund D 4
Hawks Racing Team Hamburg
http://www.hawksracing.de/
HAW Hamburg Hamburg D 69
FHM Racing Team
http://www.fhm-racing.de/
FH München München D 13
- 42 -
Team Universität Stadt Land Nr.
FaSTTUBe
http://www.fasttube.de/
TU Berlin Berlin D 66
Rennteam Uni Stuttgart
http://www.rennteam-stuttgart.de/
Uni Stuttgart Stuttgart D 29
TUfast
http://www.tufast.de/
TU München Garching b. München
D 31
Ecurie Aix
http://www.ecurie-aix.rwth-aachen.de/
RWTH Aachen Aachen D 42
raceyard Kiel
http://www.raceyard.de/
FH Kiel Kiel D 53
Running Snail Racing Team
http://www.running-snail.de/
FH Amberg-Weiden
Amberg
D
9
Bodensee Racing Team
http://www.brt-konstanz.de/
FH Konstanz Konstanz D 15
Elefant Racing
http://www.elefantracing.de/
Uni Bayreuth Bayreuth D 11
BA Racing Team
http://www.ba-racing-team.de/
BA Ravensburg
Friedrichshafen D 25
TU Darmstadt Racing Team e.V.
http://www.tudart.tu-darmstadt.de/
TU Darmstadt Darmstadt D 14
FH-Dortmund Race-Ing
http://www.race-ing.de/
FH-Dortmund Dortmund D 911
Einstein Motorstport FH Ulm Ulm D 17
- 43 -
Team Universität Stadt Land Nr.
http://www.einstein-motorsport.de/
FHTW Motorsport
http://www.fhtw-motorsport.de/
FHTW Berlin Berlin D 19
Lions Racing Team
http://www.lionsracing.de/
TU Braunschweig
Braunschweig D 8
GET racing
http://www.get-racing.de/
Uni Dortmund Dortmund D 111
Black Forest Formula Student Team FH Offenburg Offenburg D 16
wob-racing
http://www.wob-racing.de/
FH BS/WF Wolfsburg D 33
FHWT-Racing
http://www.fhwt-racing.de/
FHWT Diepholz D 44
Team M.H.S.S.C. M.H.S.S. College
Mumbai Indien 77
DUT Formula Student Racing Team
http://www.dutracing.nl/
TU Delft Delft Niederlande 37
The University of Auckland Formula SAE Team
http://www.fsae.co.nz/
UoA Auckland Neuseeland 47
Student's engineering group MADI
http://team.madi.ru/
MADI (STU) Moscow UDSSR 75
KTHRacing
http://www.kthracing.se/
KTH Stockholm Schweden 131
Oxford Brookes University Brookes Oxford UK 73
- 44 -
Team Universität Stadt Land Nr.
http://www.brookes.ac.uk/go/racing
Lancaster Racing
http://www.lancaster-racing.co.uk/
Lancaster University
Lancaster UK 28
University of Strathclyde Motorsport
http://www.formulastudent.strath.ac.uk/
University of Strathclyde
Glasgow UK 12
LUMotorsport
http://www.lumotorsport.co.uk/
Loughborough University
Loughborough UK 60
Cardiff Racing
http://www.cardiffracing.co.uk/
Cardiff Cardiff UK 41
University of Ulster
http://www.uujracing.com/
UUJ Belfast UK 135
Swansea University Race Engineering
http://www.motorsport.swan.ac.uk/
Swansea University
Swansea UK 88
