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Konstruktion und Entwicklung des Fahrwerks eines Leicht-Rennfahrzeuges

M. Trzesniowski, M. Schwamberger

FH JOANNEUM Studiengang FahrzeugtechnikWien, 27.Sep.2004

M. Trzesniowski 2Fahrwerk jr04

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Inhalt

• Formula Student

• Fahrzeugkonzept

• Fahrzeugentwurf

• Fahrwerkkonzept

• Fahrwerkentwurf

• Fertigung und Erprobung


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Formula Student Reglement

• Monoposto, freistehende Räder

• 95% Amerikaner, 5s-Regel

• Abmessungseinschränkungen

• Sicherheitsaspekte

• Stückzahl, Kostenvorgaben

• Motor: 4-Takt Otto 610ccm, Airrestrictor

• 50 km/h Schnitt, max. 105 km/h


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Formula Student Bewerb

• Klasse 1– Statischer Bewerb– Dynamischer Bewerb

• 21 km Rundstrecke mit Bewertung Kraftstoffverbrauch• Beschleunigungsstrecke 75m • Schleuderplatte• Autocross

• Klasse 2• Klasse 3

– Konstruktion– Kostenbetrachtung– Projektmanagement


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Fahrzeugkonzept

• Aufgabe eines Rennfahrzeugs

• Experten: Anteile einzelner Bau-gruppen am Fahrverhalten:– Reifen........ 40 – 50 %– Fahrwerk... 30 – 40 %– Motor........ 20 %

• Fahrversuch: Neutrales Fahrverhalten für Slalomtest (30 m Pylonenabstand)

Grundsätzliche Überlegungen


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Fahrzeugkonzept

• Simulation: Einfluss einer Parameterverbesserung um 10 % auf Rundenzeit, Topspeed und Verbrauch


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Fahrzeugkonzept

• minimales Gewicht• geringes Massenträgheitsmoment um die Hochachse• extrem tiefer Schwerpunkt• maximale Steifigkeit des Rahmens und der Radaufhängungsteile• hoher aerodynamischer Abtrieb• große Antriebsleistung

Oberste Ziele Rennfahrzeugentwicklung


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Minimales Gewicht

• Gewichtsziel für ein allradgetriebenes Formel S Fahrzeug

279Fahrzeuggesamtgewichtmittel5,415Kleinteilehoch5,415Verkleidung, Außenhautmittel2,57Lenkungmittel16,145Räder vollständigmittel10,830Fahrwerk inkl. Feder/Dämpfergering5,415Elektrik, Kabelbaummittel7,220Heckrahmen (Gitterrohr)hoch12,535Monocoquemittel10,830Antriebstranggering21,560Motor mit Getriebegering2,57Bremssystem

ÄnderungsmöglichkeitAnteil [%]Masse [kg]Baugruppe


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Minimales Gewicht

• Geeignete Werkstoffe:

• Gestaltungsprinzip: Funktionsintegration

• Packaging von Hauptbauteilen:

– Massen um Fahrer anordnen

– Symmetrie

– Schwerpunkt möglichst tief

– Kraftstofftank zentral

WerkstoffDichte WerkstoffWiderstand


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Massenträgheitsmomente

Massenträgheitsmomente möglichst klein:• Kräfte für Richtungsänderungen klein Agilität

z.B. um die Trägheitsmoment Längsachse klein:• dynamische Radlastunterschiede gering

Einzylindermotor


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Massenträgheitsmomente

Motor• Einzylinder• Aufladung• Gedrehter Einbau


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Schwerpunktslage

• Schwerpunktshöhe: – Achslastverlagerung– Radlastverlagerung

• Radstand• Spurweite• Jr04: l/b= 1,2


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Schwerpunktslage

Breite = 1547mm h Bo < 387mm


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Schwerpunktslage

• Lecktest 45°• Kipptest 60°


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Maximale Steifigkeit

• Funktion Rahmen• Gewählte Bauweise


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Ergebnis Konzeptphase

• Packagingmodell des Wagens jr04


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Entwurf

Rangordnung der Entwurfstätigkeit:• 1. Reglement• 2. Fahrerposition• 3. Hauptmassenverteilung: Motor-, Getriebe-, Tank- und

Wärmetauscherlage• 4. Radstand, Spurweite, und damit grobe Achslastverteilung• 5. Reifen und Räder• 6. Fahrwerkgeometrie• 7. Außenhaut unter aerodynamischen Aspekten


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Entwurf

Räder: 13“

45 mmBodenfreiheit5 Gang, sequenziellGetriebe

1370/1340 mmSpurweite v/h80 Nm/ 6500 min-1max. Drehmoment/ Drehzahl

1570 mmRadstand53 kW/ 7500 min-1max. Leistung/ Drehzahl

1081 mmFahrzeughöhe1-Zyl. 4-Takt, 609 cm³Motor

1547 mmFahrzeugbreite46,7/53,3 %Achslastverteilung v/h

2723 mmFahrzeuglänge320 kgGesamtgewicht

Allrad über 2 Ketten 520 5/8“x1/4“

AntriebsartMonoposto mit freistehenden Rädern

Typ

Fahrzeugdaten:


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Konzept

Fahrwerk• Funktion:

– Rad/Reifenstellung– Lasten übertragen

• Physik. Parameter: Radlastschwankungen, Aufbaubeschleunigungen


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Konzept

Hauptziele Fahrwerkkonstruktion:• Hohe Sturz- und Spursteifigkeit• Niedrige Wankpolhöhe• Geringe ungefederte Massen• Keine elastokinematischen Einflüsse

Darüber hinaus:• Wendekreis unter 9 m Durchmesser• Einfache Einstell- bzw. Änderungsmöglichkeit von Sturz,

Vorspur und der Radlasten ohne Zerlegungsarbeiten am stehenden Fahrzeug möglich

• Tendenziell untersteuerndes Fahrverhalten


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Konzept

• Doppelquerlenkerachsen vorne und hinten• Feder/Dämpfer innenliegend• Bremsen wagenseitig


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Konzept

• Bremsnickausgleich:

• Anfahrtauchen


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Konzept

• Wankzentrum– Pol P: „Pendelachse“– Wankpol RO: Gelenk Wagenkasten - Räder

Lage des Wankpols RO:


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Konzept

Festgelegte Kinematikwerte der Radaufhängung:

0- 1Vorspur [°]

- 2- 4Radsturz [°]

54,5Nachlauf [°]

3842,5Lenkrollradius [mm]

12,010,2Spreizung [°]

13401370Spurweite [mm]

HinterachseVorderachseGröße


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Konzept

Sturzänderung beim Ein- und Ausfedern an der VorderachseSturzverlauf

-4,6-4,4

-4,2-4

-3,8-3,6

-3,4

-25,4

-20,37

-15,34

-10,31

-5,25 0

4,78

9,82

14,85

19,88

24,91

29,94

34,97 40

Radfederweg [mm]Sturz [°]


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Entwurf

• 1. Reifen• 2. Räder• 3. Radflansch• 4. Bremsen• 5. Radträger• 6. Aufbaufedern• 7. Dämpfer• 8. Stabilisatoren• 9. Lenkung• 10. Antriebstrang

Reihenfolge der Bearbeitung bei Konstruktion:


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Entwurf

• Reifen: – vorne 195/500 R13– hinten 245/500 R13

• Räder: – vorne 6Jx13– Hinten 8Jx13


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Entwurf

• Dreiteiliges Rad

– 4-Loch Verschraubung


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Entwurf

• Bremsanlage


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Entwurf

• Bremskraftaufteilung vorne/hinten

ga

GFFz BhBv =

+=


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Entwurf

Aufbaufedern• Schraubenfedern• Übersetzung i= 0,9 bis 1,1• Aufbauschwingzahl

– Vorne 190min-1

– Hinten 180min-1


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Entwurf

• Gelenke


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Entwurf

• Lenkung


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Entwurf

• Vorderachse


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Entwurf

• Hinterachse


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Fertigung

• Fertigung


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Fertigung

• Montage


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Fertigung

• Achsvermessung


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Erprobung

• Testfahrten


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Slalom

Erprobung

• Testfahrten


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Erprobung

• Reifenfülldruck


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Ziel


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Bewerb

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