Bachelor/Master/Diplomarbeiten

Der Schwerpunkt dieser Ausarbeitung beschäftigt sich mit der Optimierung der Aerodynamik beim Sportwagen IW Seven. Als Erbauer des IW Seven beabsichtigt das Ingenieurwerk durch aerodynamische Konstruktionsmaßnahmen den Luftwiderstand dieses Sportwagens zu verringern und seinen Anpressdruck zwischen Fahrbahn und Kraftfahrzeug zu vergrößern, um dadurch die erzielbare Höchstgeschwindigkeit, sowie die maximale Kurvenfahrtgeschwindigkeit zu steigern und die gefühlte Fahrstabilität zu verbessern. Zur Realisierung dieses Vorhabens soll beim IW Seven eine strömungsverbesserte Frontscheibe eingebaut werden, sowie der Einbau der Seitentüren und des Heckdiffusors erfolgen.

Ausarbeitung

In der folgenden Abbildung werden die den IW Seven umfließenden Luftstromlinien (Geschwindigkeit v1  =  100  km/h) des Ursprungmodells und des optimierten Fahrzeugs in der Seitenansicht gegenübergestellt, wobei der statische Luftdruckverlauf in den Stromlinien farblich gekennzeichnet wird.

Durch die planare Frontscheibe entsteht im Vergleich zur Urspungsfrontscheibe ein geringeres Totwassergebiet in der Fahrgastzelle und am Fahrzeugheck, welches zur Senkung des cW-Wertes führt. Ebenso wird die Minderung des Totwassergebietes am Fahrzeugheck durch den Einbau der Seitentüren unterstützt. Die Druckdifferenz zwischen dem Frontbereich der planaren Frontscheibe und der Fahrgastzelle ist im Vergleich mit der Ursprungsfrontscheibe weniger stark ausgeprägt, wodurch der Luftwiderstand ebenfalls gesenkt wird. Die Druckdifferenz zwischen Boden und Fahrgastzelle (und folglich auch der Auftrieb) wird mit dem Einbau der Seitentüren erhöht. Der Einbau des Heckdiffusors senkt jedoch wieder den statischen Druck im Heckbereich des Unterbodens beim Lotus Seven auf das Ausgangsniveau (cA-Wert  =  0,17) des IW Seven Ursprungmodells ab, wodurch insgesamt keine Senkung des cA‑ Wertes beim optimierten Fahrzeug realisiert wird.

Fazit

Das Ziel des Ingenieurwerks, den Luftwiderstand beim IW Seven durch die gewünschten aerodynamische Konstruktionsmaßnahmen (Einbau einer planaren Frontscheibe, Einbau von Seitentüren, Einbau eines Heckdiffusors) zu senken, wird durch die Reduzierung des Luftwiderstandsbeiwertes um insgesamt ∆  cW  =  0,18 erfüllt. Das Ziel zur Steigerung der Endgeschwindigkeit wird ebenfalls durch den Anstieg der theoretischen Endgeschwindigkeit von vmax  =  237  km/h beim Ursprungsmodell auf vmax  =  255  km/h beim gesamtmodifizierten Modell (∆  vmax  =  18  km/h) erreicht.

In dieser Arbeit wird der Gang von der Grundidee ein Sportwagen-Chassis leichter zugestalten bis zum ersten Entwurf beschrieben. Bei der Entwicklung werden verschiedeneAspekte, wie die Fahreigenschaften, die Sicherheit, aber auch eine kostengünstige Produktion, berücksichtigt.Hierfür werden zu Anfang die verschiedenen Bauweisen von Rahmenstrukturen früherer und heutiger Zeiten aufgezeigt und die daran gestellten allgemeingültigen Anforderungen verdeutlicht. Zusätzlich zu den Anforderungen werden Produktionsmöglichkeiten ermittelt und genannt, welche für solche Konstruktionen in Betracht kommen. Auch Unterschiede zwischen den Aluminiumlegierungen werden im Laufe ersichtlich. Anhand dieser Grundlagen wird eine Anforderungsliste erstellt, welche alsLeitfaden für die Gestaltung dient.Unter Anwendung von intuitiver sowie diskursiver Methoden wird eine Lösungsfindungdargestellt, die schrittweise erfolgt. Das Lösungsfeld wird dabei eingeschränkt,um nur eine zu verarbeitende Anzahl von Lösungen zuzulassen. DasBewertungsverfahren selbst sowie dessen Anwendung werden im Anschluss beschrieben.
Aus der favorisierten Lösung wird mithilfe der Konstruktionssoftware ProEngineer® ein 3D-Modell konstruiert, welches dann anhand einer FEM-Analyse mit Ansys® im Bezug auf die statische und dynamische Steifigkeit bewertet wird.

Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde die Entwicklung eines leichteren Chassis von der Grundidee bis zum Entwurf beschrieben. Dazu wurden am Anfang die verschiedenen Bauweisen von Rahmenstrukturen früherer und heutiger Zeiten aufgezeigt und die daran gestellten allgemeingültigen Anforderungen recherchiert. Zusätzlich zu den Anforderungen wurden Produktionsmöglichkeiten ermittelt und genannt, welche für solche Konstruktionen in Betracht kommen würden. Dabei haben sich vor allem die selbsttragende Karosserie, die Space-Frame-Bauart und Rahmenstrukturen aus Verbundplatten als Bauweisen mit Leichtbaupotenzial herausgestellt. Im Anschluss wurden verschiedene Aluminiumlegierungen vorgestellt und obwohl der Werkstoff Aluminium als Baumaterial von vornherein festgelegt worden ist, wurde aufgrund des Einsatzes im heutigen Automobilbau kurz auf alternative Werkstoffe eingegangen. Mit dem Wissen aus dem Stand der Technik wurde eine Anforderungsliste erstellt, welche als Leitfaden für die weitere Entwicklung diente.
Mithilfe der Anforderungsliste und mehreren Lösungsfindungsmethoden wurden vier Chassis-Konzepte vorgestellt, die im Anschluss bewertet wurden. Die favorisierte Lösungsvariante war eine Space-Frame-Bauart aus einfachen Halbzeugen, die im Bezug auf die Bewertungskriterien das beste Ergebnis erlangte. Diese Variante ging in die Entwurfsphase über, in der der erste Entwurf des Chassis mithilfe der CAD-Software ProEngineer® konstruiert wurde. Ein kleiner Ausschnitt der Probleme und Vorkommnisse, welche beim konstruieren entstanden sind, wurden näher erläutert. Anschließend wurde die Konstruktion, nach Aufteilen in die Bereiche Front, Fahrgastzelle und Heck, schrittweise beschrieben.
Um das konstruierte Chassis bezüglich der statischen und dynamischen Steifigkeit zu untersuchen wurde eine FEM-Analyse mittels der Simulationssoftware ANSYS® durchgeführt. Die Analyse legte eine ausreichende Torsionssteifigkeit dar und gab Aufschluss über den Frequenzgang mit den zugehörigen Eigenformen. Desweiteren wurden Vorschläge für Optimierungsmaßnahmen gemacht.
Die Aufgabe, einen Entwurf für ein Aluminiumchassis auszuarbeiten, welches einen Gewichtsvorteil mitbringt, ist mit dieser Diplomarbeit gelungen. Auf der hier er-arbeiteten Konstruktion und deren Voruntersuchung kann, wie es beabsichtigt war, nun weiter aufgebaut werden und durch weitere Untersuchungen und Maßnahmen das Chassis weiter optimiert werden.

Aufgabenstellung

Die in dieser Diplomarbeit bearbeitete Aufgabe bestand in der möglichst exakten Nachbildung der Gitterrohrstruktur, sowie Teilen des Fahrwerks in einem geeigneten Berechnungsprogramm.
Die Nachbildung erfolgte in mehreren Schritten:
• Vermessung des Chassis
• Nachbildung des Chassis und notwendiger angrenzender Bauteile in CAD
• Überführung des CAD Modells in geeignetes FEM Programm
• Detaillierung des Modells zur möglichst realitätsnahen Abbildung
• Ableiten zweier unterschiedlicher Chassismodelle: o Ein reiner Gitterrohrrahmen, o Ein Gitterrohrrahmen mit Aluminiumblechversteifung
Zunächst war die Geometrie des Rahmens möglichst genau zu vermessen. Daraufhin wurde ein CAD Modell im Programm ProEngineer erstellt. Anhand dieses Modells konnten die Knotenpunkte in kartesischen Koordinatenermittelt werden, um sie darauf folgend in das FEM Programm ISAFEM einzugeben. Entsprechende Elemente wurden zwischen den Knotenpunkten gesetzt, zunächst in grob vereinfachterWeise um die Richtigkeit des Vorgehens und der zu erwartenden Ergebnisse zuerhalten. Sukzessiv wurden dann Verfeinerungen vorgenommen um das Modell möglichst realitätsnah abzubilden.

Ziel der Untersuchung
Ziel dieser Untersuchung ist es, den Rahmen als Computermodell nachzubilden und mithilfe Finiter-Elemente Verfahren auf Gesamtsteifigkeit und Schwachpunkte zu untersuchen. An den beiden FE-Modellen soll die Steifigkeitsanalyse unter Eigenlast und Verdrehung, sowie in Kombination erfolgen. Die Ergebnisse der Analysen werden unter Anderem gegenübergestellt um den Nutzen der Blechbeplankung zu bewerten. Da sich das Fahrzeug „Irmscher 7“, sowie dessen Chassis an dem „Lotus Type 7“ orientiert, kann davon ausgegangen werden, dass die Entwicklung nicht mithilfe heute verfügbarer Berechnungssoftware stattfand. Eine Analyse versprach also durchaus aufschlussreich zu sein und Potential für Optimierung zu bieten. Ebenso war eine sinnvolle Anwendung modernerer Werkstoffe zur Gewichtsersparnis und Steifigkeitserhöhung denkbar.

Resümee
Die gesammelten Ergebnisse lassen keinen Zweifel am Nutzen der Blechbeplankung. Dennoch sind einige Verbesserungen denkbar, die in künftigen Untersuchungen abgeklärt werden könnten:
1. Die Blechbeplankung ist nur im hinteren Bereich des Fahrzeugs angebracht worden. Die Untersuchungen haben jedoch gezeigt, das die Fahrzeugfront, im Besonderen der Bereich der Federbein-, sowie Querlenkerbefestigung, sehr hohen Belastungen ausgesetzt ist, die sich nicht weit unter der Streckgrenze des Stahls befinden. In weiteren Untersuchungen könnte geprüft werden, ob eine Blechbeplankung an der Fahrzeugfront durchführbar und sinnvoll ist.
2. Die montierten Bleche machen das Fahrzeug lediglich um 11,5Kg schwerer (Aus der Differenz der von ISAFEM ausgegebenen Lagerreaktionen gebildet), haben jedoch eine enorme Auswirkung auf die Verwindungssteifigkeit und die Absenkung der Fahrzeugmitte unter Last. Die Montage dickerer Bleche hätte nur relativ geringe Auswirkungen auf das Gesamtgewicht des Fahrzeugs, könnte die Steifigkeit des Chassis aber erneut nennenswert erhöhen.
3. Die Verwendung von Faser Kunststoff Verbunden, im speziellen Kohlenstofffaserverbunde birgt ein Verbesserungspotential. AnstattAluminiumblechen kann die Verwendung von Mehrschichtenverbundenuntersucht werden, die zum einen leichter sind als Aluminium (Dichten zwischen 1,74 und 1,9 Kg/dm3) und zum anderen einen deutlich höherenE-Modul (bis zu 450000N/mm2 bei unidirektionalen Schichten) [SCHÜ]haben. Da nur ebene Platten am Fahrzeug Verwendung finden, könntendiese einfach zugekauft werden.
4. Das Chassis weist eine auffällige Drehrichtungsneigung beim Test aufVerwindung auf. Der Grund liegt wohl in der Asymmetrie des Chassis,mutmaßlich in den beiden Rundrohren, die an der Fahrzeugseite rechtsund links in unterschiedlicher Ausrichtung eingeschweißt wurden. Inweiteren Untersuchungen könnte diese Vermutung verifiziert undstrukturelle Verbesserungen erarbeitet werden, um die rechteFahrzeugseite zu stabilisieren.

Ziele und Aufgabenstellung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Torsionssteifigkeit um die Längsachse des Irmscher Seven Gitterrohrrahmens zu untersuchen und gegebenenfalls zu verbessern. Da die Ausnahme besteht, dass die Grundstruktur des Gitterrohrrahmens nicht optimal ausgearbeitet ist, was wiederrum negative Auswirkungen auf die Fahreigenschaften des Fahrzeugs hat.
Eine Analyse des Rahmens sowie eine Lösung des Problems soll mit Hilfe der Finite-Element-Methode(FEM) erarbeitet werden. Bei der Modellbildung und Berechnung der Daten wird die Simulations- Computer-Aided-Design(CAD)-Software Unigraphics NX 7.5 verwendet. Das virtuelle Modell des Irmscher Seven existiert bereits auf der CAD-Software Pro Engineer Wildfire 5. Die schon vorhandenen CAD-Daten werden für diese Arbeit genutzt.
Bei der Optimierung des Fahrzeuges darf die Grundstruktur des Rahmens sowie das äußere Bild des Fahrzeuges nicht verändert werden, wie beispielsweise das Entfernen von bereits vorhandenen Streben. Eine höhere Torsionssteifigkeit soll durch zusätzliche Bauteile erzielt werden. Weiterhin muss auf eine einfache Zugänglichkeit bei wartungsrelevanten Komponenten geachtet werden, ebenso auf eine ausreichende Kühlung des Antriebsaggregates. Daneben soll zusätzlich berücksichtigt werden, dass die durch die neuen Elemente ein bestimmtes Zusatzgewicht nicht überschritten wird. Um die Kosten für die Konstruktion niedrig zu halten, ist darauf zu achten, dass nach Möglichkeit Norm- und Serienteile verwendet werden. Die neuen Komponenten sollen bis zu einem fertigen Entwurf ausgearbeitet werden und anschließend als CAD-Version vorliegen.

Fazit

In dieser Arbeit „Optimierung der Torsionssteiffestigkeit eines Gitterrohrrahmens“ konnten die Forderungen nach einem torsionssteiferen Rahmen durch den Einsatz von Sandwichelementen erfüllt werden. Mithilfe der neuen Komponenten reduziert sich die Verdrehung um die Längsachse des Fahrzeugs von -1,9° auf -1,02°. Zusätzlich konnte das Zusatzgewicht der Sandwichelemente von 4,33 auf 2,44 verringert werden. Es zeigt sich, dass durch das Einfügen von Blechen und Sandwichelementen die Torsionssteifigkeit des Gitterrohrrahmens deutlich erhöht werden kann, siehe Tabelle 26.

Tabelle 26 Vergleich Verschiebung von Kek1

Ferner wurde verdeutlicht, dass durch die Verwendung von Sandwichelementen der Spannungsverlauf in den belasteten Streben harmonischer verläuft, als zuvor ohne die neuen Komponenten.
Der Sandwichelementkern aus Aluminiumschaum bietet zusätzliche Sicherheit durch sein Stauchungsverhalten bei Druckbelastung. Daher besteht die Möglichkeit durch weitere Untersuchungen festzustellen, ob alle bereits vorhandenen Aluminiumbleche durch Sandwichstrukturen ersetzt werden sollten.
Es besteht die Möglichkeit noch weitere Elemente zu integrieren, da das maximale Zusatzgewicht von 8,5 kg und eine Torsionssteifigkeit von mehr als 3 KNm/° noch nicht erreicht wurden. Der Mittelkanal des Rahmens weißt wenige Verstrebungen auf. Zum einen reduziert sich dadurch die Steifigkeit des gesamten Rahmens und zum anderen ist die Sicherheit der Insassen gefährdet, da sich beispielsweise bei einem Defekt der Kardanwelle den Insassen kaum Schutz bietet. Wie sonst üblich bei einem Gitterrohrrahmen wurde kaum auf Dreiecksstrukturen geachtet.

Der Verdrehwinkel des Fahrzeugrahmens nimmt exponentiell mit zunehmender Torsionssteifigkeit ab. Aus diesen Daten folgt, dass weiter Komponenten die Torsionssteifigkeit nur bis zu einem gewissen Punkt weiter beeinflussen.
Ein Grund für diesen Verlauf ist, dass mit steigender Steifigkeit im vorderen Teil der Gitterstruktur, die Profilstäbe der Stoßdämpferaufhängung stärker belastet werden.
Um die Belastung der Profile weiter zu reduzieren, besteht die Möglichkeit den Winkel der Stoßdämpfer zu verändern. Durch einen flacheren Einfallswinkel des Dämpfers würde die horizontal wirkende Kraft abnehmen, wodurch das Torsionsmoment zusätzlich abnimmt.
Grundsätzlich stellt sich die Frage, ob eine veränderte Anordnung der Profilstäbe die Steifigkeit des Rahmens erhöhen und das Gesamtgewicht reduzieren könnte.

Aufgabenstellung

Die Aufgabe dieser Diplomarbeit besteht darin, einen Vergleich von zwei Fertigungsverfahren anhand des Irmscher Seven durchzuführen und hinsichtlich der Steifigkeit und auftretenden Spannungen zu vergleichen. Die beiden zu untersuchenden Fertigungsverfahren sind zum einen die Vernietung von Aluminiumblechen mit dem Gitterrohrrahmen und zum anderen die Verklebung von CFK-Blechen mit dem Gitterrohrahmen. Die Simulation der verschiedenen Fertigungsverfahren wird mit dem FEM-Programm Hypermesh durchgeführt. Darüber hinaus wird auch noch die Verklebung von Aluminiumblechen als drittes Verfahren simuliert und mit den ersten beiden Verfahren verglichen. Die Simulation der verschiedenen Verfahren wird auf ein Teilstück des Rahmens begrenzt, das stellvertretend für den gesamten Gitterrohrrahmen stehen soll. Durch vorhergehende Diplomarbeiten über den Gitterrohrrahmen des Irmscher Seven wurde deutlich, dass in diesem Teilstück höhere Spannungen auftreten. Zusätzlich zu dem Vergleich der Fertigungsverfahren werden noch zwei verschiedene Arten der Simulation einer Verklebung untersucht und ein Vergleich von verschiedenen Laminattypen des CFK-Blechs erstellt.

Ziel der Untersuchung

Ziel dieser Untersuchung ist es herauszufinden, welches Fertigungsverfahren dem Rahmen die größte Steifigkeit verleiht und auch nicht zu hohe Spannungen hervorruft.

Es soll zudem ermittelt werden, welcher Laminattyp eines CFK-Werkstoffs für ein Versteifungsblech hinsichtlich der Steifigkeit am besten geeignet ist. Außerdem soll der Vergleich der unterschiedlichen Arten, eine Klebverbindung zu simulieren, darstellen, welche davon der Realität am nächsten kommt. Da der Irmscher Seven in ähnlicher Form schon seit 1957 gebaut wird, kann davon ausgegangen werden, dass die verwendeten Materialien den typischen Belastungen eines Fahrzeugs standhalten. Aus diesem Grund wird keine Untersuchung über das Materialversagen durchgeführt.

Resümee

Die gewonnenen Ergebnisse haben gezeigt, dass eine Verklebung des Versteifungsblechs besonders hinsichtlich der auftretenden Spannungen den bisherigen vernieteten Aluminiumblechen überlegen ist. Auch die Wahl eines CFK-Blechs als Versteifungsblech bringt viele Vorteile mit sich.

Doch der Gitterrohrrahmen des Irmscher Seven birgt noch reichlich Potenzial für Verbesserungen. Zum Beispiel könnte der Aufbau des Gitterrohrrahmens einmal überdacht werden. Würde der Rahmen des Irmscher Seven konsequent aus Dreieckstrukturen aufgebaut, könnte sich die Steifigkeit des Rahmens vermutlich um Einiges steigern lassen.