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  • HOCHSCHULE MITTWEIDA

    UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

    Maschinenbau / Feinwerktechnik

    DIPLOMARBEIT

    Optimierung der geometrischen Fahrwerksabmessungen

    eines Formula Student Rennwagens

    vorgelegt von: Marcel Funke Ottostr. 10 09113 Chemnitz Matrikel-Nr.: 15388 Erstkorrektor: Prof. Dr.-Ing. Frank Weidermann Zweitkorrektor: Dipl.-Ing. (FH) Andreas Wstrich Abgabetermin: 8. Mrz 2010

  • Bibliographische Beschreibung II

    Bibliographische Beschreibung

    Funke, Marcel:

    Optimierung der geometrischen Fahrwerksabmessungen eines Formula Student

    Rennwagens. 2010. 66 Seiten.

    Mittweida, Hochschule Mittweida (FH), Fachbereich Maschinenbau /

    Feinwerktechnik, Diplomarbeit, 2010

    Referat

    In der vorliegenden Arbeit wird die Auslegung und Konstruktion eines

    Fahrwerkes fr einen Formula Student Rennwagen beschrieben. Hierbei wird im

    Vorfeld des Konstruktionsprozesses auf die bentigten Grundlagen eingegangen,

    sowie die vorhandenen Fahrwerke verifiziert.

    Darber hinaus wird eine erste Erprobung der konstruierten Komponenten

    durchgefhrt, welche Grundlage fr weitere Entwicklungen und Verbesserungen

    an kommenden Rennwagen der Hochschule Mittweida (FH) sein soll.

  • Inhaltsverzeichnis III

    Inhaltsverzeichnis

    Bibliographische Beschreibung II

    Inhaltsverzeichnis... III

    Abbildungsverzeichnis . V

    Tabellenverzeichnis .. VII

    Nomenklatur .... VIII

    1 Einleitung 1

    2 Theoretische Grundlagen der Fahrwerksgeometrie ... 5

    2.1 Funktion ... 5

    2.2 Beschreibung wichtiger Parameter . 6

    3 Verifizierung der Fahrwerke 2008 und 2009 .. 13

    3.1 Kinematische Auslegung .. 13

    3.1.1 Radstand und Spurweite . 14

    3.1.2 Spreizung .. 15

    3.1.3 Lenkrollradius 16

    3.1.4 Sturz, Sturzverlauf 16

    3.1.5 Nachlauf . 17

    3.1.6 Vorspur .. 17

    3.1.7 Rollzentrum ... 18

    3.1.8 Momentanpol 18

    3.1.9 Bremsnickausgleich . 19

    3.1.10 Anfahrnickausgleich . 19

    3.1.11 Zusammenfassung der Auslegung 19

    3.2 Konstruktive Anbindung der Fahrwerke 20

    3.2.1 Anbindung der Pushstange hinten 21

    3.2.2 Anbindung der Querlenker hinten .. 22

    3.2.3 Hirschmann Gelenkkpfe 23

    4 Auslegung des neuen Fahrwerkes . 25

    4.1 Grundsatzentscheidungen ... 25

    4.1.1 Radstand und Spurweite . 26

    4.1.2 Rollzentrum und Rollachse . 26

    4.1.3 Momentanpolabstand .. 27

    4.1.4 Spreizung und Lenkrollradius . 27

    4.1.5 Nachlauf . 28

    4.1.6 Sturz ... 29

    4.1.7 Vorspur .. 29

  • Inhaltsverzeichnis IV

    4.1.8 Anfahrnickausgleich . 30

    4.1.9 Bremsnickausgleich . 31

    4.1.10 Zusammenfassung der getroffenen Einstellungen . 32

    4.2 Erstellung der Kinematikpunkte .. 32

    4.2.1 Erstellung der Rollzentren ... 33

    4.2.2 Erstellung der Radtrgerpunkte . 34

    4.2.3 Ansicht von oben .. 35

    4.3 Berechnung der auftretenden Krfte .. 35

    4.3.1 Maximal auftretende Lngskrfte .. 37

    4.3.2 Maximal auftretende Seitenkrfte .. 38

    4.3.3 Maximale Krfte an Radtrger Anlenkpunkten 39

    4.3.4 Krfte auf einzelne Querlenkrohre 42

    4.3.5 Krfte in den Spurstangen .. 42

    4.4 Konstruktion der Querlenker ... 43

    4.4.1 Wahl der Carbonrohre . 44

    4.4.2 Kleben von Carbonrohren .. 45

    4.4.3 Radtrgeranbindung 46

    4.4.4 Rahmenseitige Anbindung . 49

    4.4.5 Zusammenfgen der einzelnen Komponenten ... 52

    4.5 berprfung der Konstruktion 53

    4.5.1 FEM-Analyse der Rahmenanbindung hinten ... 54

    4.5.2 FEM-Analyse der Radtrgeranbindung vorn unten 56

    4.5.3 Zugversuch der Klebeverbindung ... 59

    4.6 Ergebnisse der Fahrwerkskonstruktion . 62

    5 Beschreibung des Programms CarMaker 64

    6 Zusammenfassung 66

    Anlage A: Fahrwerksdaten .. 67

    Anlage B: Technische Zeichnungen / Stckliste .. 71

    Anlage C: Technische Datenbltter .. 84

    Literaturverzeichnis .. 88

    Danksagung . 90

    Erklrung .. 91

  • Abbildungsverzeichnis V

    Abbildungsverzeichnis

    Abbildung 1-1: Punkteverteilung der statischen Events 2

    Abbildung 1-2: Punktverteilung der dynamischen Events 2

    Abbildung 2-1: Radstand 6

    Abbildung 2-2: Spurweite 6

    Abbildung 2-3: Sturz, Spreizung, Nachlauf, Lenkrollradius ... 7

    Abbildung 2-4: Nachlaufversatz 9

    Abbildung 2-5: Vorspur 10

    Abbildung 2-6: Momentanpol, Rollzentrum . 11

    Abbildung 3-1: Schaden am Touro bei der FSG 2009 .. 21

    Abbildung 3-2: Aufbau der Hinterachse des Touro von oben ... 22

    Abbildung 4-1: Sturzlauf Touro II .. 29

    Abbildung 4-2: Bestimmung des Anfahrnickausgleichs des Touro II .. 31

    Abbildung 4-3: Bestimmung des Bremsnickausgleichs des Touro II .. 32

    Abbildung 4-4: Skizze des Rollzentrums vorn . 33

    Abbildung 4-5: Skizze des Rollzentrums hinten . 33

    Abbildung 4-6: Radtrgerpunkte vorn .. 34

    Abbildung 4-7: Radtrgerpunkte hinten 34

    Abbildung 4-8: Ansicht von oben ... 35

    Abbildung 4-9: Krfte in den Gelenkpunkten ... 39

    Abbildung 4-10: 3D-Skizze des Fahrwerk 2010 44

    Abbildung 4-11: Beispiele fr das Verkleben von Welle-Nabe

    Verbindungen .

    45

    Abbildung 4-12: Aufbau einer Klebung Welle/Nabe . 46

    Abbildung 4-13: Bsp. einer Radtrgeraufnahme oben . 48

    Abbildung 4-14: Bsp. einer Radtrgeraufnahme unten. 48

    Abbildung 4-15: Schnittansicht obere Radtrgeraufnahme komplett. 49

    Abbildung 4-16: Schnittansicht Aufnahmehlse komplett. 50

    Abbildung 4-17: Querlenkeraufnahme............... 51

    Abbildung 4-18: Querlenker-, Spurstangenaufnahme hinten... 51

    Abbildung 4-19: Fahrwerk ohne CFK-Rohre.. 52

    Abbildung 4-20: Fahrwerk komplett.. 53

    Abbildung 4-21: Vernetzung und Randbedingung 54

    Abbildung 4-22: Maximale Deformation der Rahmenanbindung 55

    Abbildung 4-23: Vergleichsspannung nach von Mises der

    Rahmenanbindung

    56

  • Abbildungsverzeichnis VI

    Abbildung 4-24: Einspannung der Radtrgeranbindung . 57

    Abbildung 4-25: Vernetzung und Kraftanbringung der

    Radtrgeraufnahme ..

    58

    Abbildung 4-26: Vergleichsspannung nach von Mises der

    Radtrgeraufnahme ..

    58

    Abbildung 4-27: Bereich der maximalen Spannungen nach von Mises 59

    Abbildung 4-28: Aluminiumhlse aus Zugversuch 1 .... 60

    Abbildung 4-29: Aluminiumhlse aus Zugversuch 2 61

    Abbildung 4-30: Aluminiumhlse aus Zugversuch 3. 61

    Abbildung 4-31: CFK-Rohre nach Zugversuch . 62

  • Tabellenverzeichnis VII

    Tabellenverzeichnis

    Tabelle 3-1: Vergleich Kinematikdaten .. 14

    Tabelle 4-1: Radstand/Spurweite fhrender Teams 26

    Tabelle 4-2: Zusammenfassung der Kinematikdaten des Touro II ... 32

    Tabelle 4-3: Maximale Krfte in den Querlenkerrohren .. 42

    Tabelle 4-4: Lngen der CFK-Rohre.. 52

    Tabelle 4-5: Ergebnisse Zugversuch . 59

  • Nomenklatur VIII

    Nomenklatur

    Formelzeichen

    A Flcheninhalt [mm]

    aY Querbeschleunigung [m/s]

    bm mittlere Spurweite [mm]

    EC E-Modul CGK [N/mm]

    FK Knicklast [N]

    FKl Auspresskraft der Klebestelle [N]

    FR angenommene Scherkraft 2009 [N]

    FT Kraft in der Spurstange hinten [N]

    FX,W maximal bertragbare Lngskraft [N]

    FY,W maximal bertragbare Querkraft [N]

    FZ,W Normalkraft des Wagens [N]

    F4 Kraft in Querlenkerrohr 4 [N]

    FW,Z maximale Radkraftnderung [N]

    fGes Einflussfaktor beim Kleben [-]

    g Erdbeschleunigung [m/s]

    hV Hhe des Fahrzeugschwerpunktes [mm]

    I Flchenmoment 2.Ordnung [mm4]

    K,f Bremsnickausgleich vorn [%]

    K,r Bremsnickausgleich hinten [%]

    K Anfahrnickausgleich [%]

    lS Bremskrafthebelarm [mm]

    l4 Lnge Querlenkerrohr 4 [mm]

    Mb Biegemoment [Nm]

    MZ,W,b maximales Bremsmoment hinten [Nm]

    mV,t Masse des Rennwagens inkl. 80kg Fahrer [kg]

    RA Auendurchmesser der CFK-Rohre [mm]

    RI Innendurchmesser der CFK-Rohre [mm]

    S Knicksicherheit [-]

    W Flchenmoment [mm3]

    X,W maximaler Reibwert in Lngsrichtung [-]

    Y,W maximaler Reibwert in Querrichtung [-]

    b Biegespannung [N/mm]

  • Nomenklatur IX

    v Vergleichsspannung [N/mm]

    Schubspannung [N/mm]

    D2 Druckscherfestigkeit [N/mm]

    Abkrzungen

    CAD Computer Aided Design

    CFK Kohlenstofffaserverstrkter Kunststoff

    DIN Deutsches Institut fr Normung

    FSG Formula Student Germany

    PKW Personenkraftwagen

    SAE Society of Automotive Engineers

    TMM Technikum Mittweida Motorsport

    VDI Verein Deutscher Ingenieure

  • 1 Einleitung 1

    1 Einleitung

    Ob Rekordweltmeister Michael Schumacher oder Rallyelegende Walther Rhrl,

    ob 24 Stunden von Le Mans oder Rallye Paris-Dakar, ob Formel 1-Bolide oder

    schwerer Renntruck1 alle haben eines gemeinsam, die Faszination Motorsport.

    Seit dem Jahr 2008 teilt nun auch die Hochschule Mittweida (FH) mit ihrem

    Motorsport Team TMM diese Faszination. Grundlage hierfr bildet die im Jahr

    1981 durch die amerikanische Gesellschaft der Automobilingenieure gegrndete

    Formula SAE. Es handelt sich hierbei um einen Konstruktionswettbewerb dessen

    Ziel es ist einen Formel Rennwagen zu konstruieren und zu bauen. Dieser

    Wettbewerb bietet den teilnehmenden Studenten die einmalige