Fortis Saxonia - Experimentelle Beanspruchungsanalyse im Fahrbetrieb

In Zeiten der Energie- und Rohstoffknappheit wächst der Wunsch nach innovativen Lösungen zur Umweltentlastung. Dies bedeutet im Automobilbau das Streben nach Fahrzeugen in Leichtbauweise mit effizienten und sparsamen Antrieben. Dieses Anliegen wird auch vom studentischen Forschungsprojekt Fortis Saxonia (Starkes Sachsen) der Technischen Universität Chemnitz verfolgt.

Das Fortis Saxonia Projekt

In Zeiten der Energie- und Rohstoffknappheit wächst der Wunsch nach innovativen Lösungen zur Umweltentlastung. Dies bedeutet im Automobilbau das Streben nach Fahrzeugen in Leichtbauweise mit effizienten und sparsamen Antrieben. Dieses Anliegen wird auch vom studentischen Forschungsprojekt Fortis Saxonia (Starkes Sachsen) der Technischen Universität Chemnitz verfolgt.

Circa 20 Studenten und Absolventen aus den Bereichen Maschinenbau, Elektro- und Informationstechnik, Informatik und der Philosophischen Fakultät forschen derzeit in den Bereichen Brennstoffzellentechnologie, Leichtbau, Simulation und Steuerung. Ziel ist es, ein Fahrzeug zu entwickeln, welches unter definierten Testbedingungen einen extrem niedrigen Kraftstoffverbrauch erzielt.

Jährlich findet dazu ein internationaler Wettbewerb statt, der so genannte Shell Eco- Marathon. Hierbei wird ermittelt, welches Fahrzeug aus dem Teilnehmerfeld die längste Strecke mit der Energie von nur einem Liter Kraftstoff bewältigen kann. Der Rekord liegt derzeit bei 5385 km. Im Mai 2008, beim 24. Eco-Marathon, lag der Spitzenwert bei 3382 km wobei Fortis Saxonia mit einem Verbrauch von weniger als 0,04 l / 100 km eine Distanz von mehr als 2500 km zurückgelegt hat ^[1].

Fahrzeugkonstruktion

Als Ergebnis der mehrjährigen intensiven Forschungsarbeit steht dem Team von Fortis Saxonia nun ein durchaus wettbewerbsfähiges Fahrzeug zur Verfügung. Der so genannte „Sax 3“ (Abbildung 1) wurde, ebenso wie die vorangegangenen Fahrzeuge, als Dreirad entworfen und gebaut. Die beiden Vorderräder laufen starr, während das Hinterrad sowohl die Lenkung als auch den elektrischen Antrieb in sich vereint. Die Energie für den Elektromotor wird aus einer Brennstoffzelle mit einer Leistung von 500 W gewonnen. Das Chassis selbst besteht aus einer extrem leichten Aramid-Wabenstruktur, welche durch mehrere laminierte Kohlenstofffaserschichten verstärkt wird.

Da die Fahrerin quasi zwischen den beiden Vorderrädern liegt, wurde die Vorderradaufhängung des Fahrzeugs als eine Art Portalachse konzipiert und über zwei Böcke aus Aluminium mit dem Chassis verbunden. Die Anbremsung der Vorderräder erfolgt über Bremsscheiben. In Abbildung 2 ist die Konstruktion der Vorderachse zusammen mit den Positionen der DMSMessstellen, auf die nachfolgend näher eingegangen wird, dargestellt.

Abb. 2: Seitenansicht Vorderachse, DMS-Messstellen

Um die Lenkung der Hinterachse zu gewährleisten, erfolgt die Anbindung an das Chassis über fünf Zugstreben (Abbildung 3). Mit Hilfe eines mechatronischen Antriebes wird die Hinterachskonstruktion um eine vertikale Achse verkippt und somit eine Kurvenfahrt ermöglicht. Der zur Beschleunigung notwendige Antrieb wurde in das Hinterrad in Form eines Nabenmotors integriert. Als Bremse am Hinterrad kommt eine Felgenbremse zum Einsatz. Das Gesamtgewicht des Fahrzeuges beträgt ohne Fahrerin lediglich 45 Kilogramm.

Abb. 3: Isometrische Ansicht Hinterachse, DMS-Messstellen zur Bestimmung der Zugbeanspruchung (vgl. Abb. 5)

Aufgabenstellung

Dieses Testfahrzeug, mit dem Fortis Saxonia am jährlichen Shell Eco-Marathon teilnimmt, wird permanent weiterentwickelt, um immer leichtere und effizientere Bauteile zu schaffen und damit immer höhere Laufleistungen zu erzielen. Die aktuelle experimentelle Beanspruchungsanalyse dient der exakten Ermittlung der im Fahrbetrieb auf die Vorder- und Hinterachskonstruktion wirkenden Kräfte, Momente und Beschleunigungen. Die Messergebnisse stellen die Grundlage für die weitere Optimierung der Gesamtkonstruktion dar und ermöglichen eine noch genauere Auslegung der Bauteile in Richtung maximaler Leistungsdichte.

Instrumentierung, Messwertverarbeitung und -aufzeichnung

Die für die Testfahrt erforderlichen Aufnehmer nebst Verkabelung sowie Messverstärker und Software wurden von der Professur Festkörpermechanik der Technischen Universität Chemnitz zur Verfügung gestellt. Alle zu messenden mechanischen Größen werden mit elektrischen Dehnungsmessstreifen erfasst. Als Messverstärker wurde ein QuantumX MX840 von HBM eingesetzt. Dieser verfügt über 8 Kanäle zur Messwerterfassung und wurde an der Rückenlehne des Fahrersitzes montiert (Abbildung 4). Die Stromversorgung des Verstärkers erfolgte über einen 12 V-Akku mit einer Kapazität von 10 Ah. Dieser wurde im Bereich der Fahrzeugnase untergebracht. Dadurch konnte eine stabile Energieversorgung über die gesamte Dauer der Messfahrten gewährleistet werden. Für die Einstellung des Messverstärkers und die Erfassung bzw. Speicherung der Messdaten wurde ein Laptop (Windows Vista Home) mit der Software catman^®Easy in der Version 2.24 ausgestattet und im Fahrzeug eingesetzt. Die Verbindung zwischen Laptop und Messverstärker erfolgte dabei über ein Netzwerkkabel. Die Messfrequenz zur Erfassung der Daten betrug 100 Hz.

Während der Testfahrten befand sich der Laptop unter den Beinen der Fahrerin. Nach jeder gefahrenen Testrunde wurde der Laptop während eines „Boxenstopps“ herausgenommen, um die Messwerte zu überprüfen und zu sichern.

Abb. 4: Fahrzeugheck mit Messverstärker QuantumX MX840 (HBM)

Die Hauptkomponente der Vorderachse besteht aus einem Karbonrohr, welches die durch Beschleunigung, Bremsvorgänge und Kurvenfahrt sowie statische Lasten des Fahrzeugs plus Fahrerin entstehenden Torsions- und Biegemomente aufnimmt. Auf Grund dieser komplexen Beanspruchung erfolgte hier eine Analyse der vorliegenden Belastung. Für die Messung dieser äußeren Belastungen wurde das Karbonrohr durch ein Aluminiumrohr mit definierten mechanischen Parametern ersetzt. Außerdem wurden beide Böcke  zur Befestigung des Rohres mit dem Chassis um 15 mm zur Fahrzeugmitte hin verschoben, um die Dehnungsmessstreifen an dem Aluminiumbauteil anbringen zu können. Im Einzelnen wurden an der Vorderachse folgende DMS verwendet:

• Torsion: XY41-3/350 (HBM), Vollbrückenschaltung
• Biegung: LY13-1,5/120 (HBM), Halbbrückenschaltung

Für die detaillierte Erfassung der Bauteilbelastungen der Hinterachskonstruktion wurdendie vier Zugstreben mit DMS XY41-1,5 /120 (HBM) in Vollbrückenschaltung präpariert (Abbildung 5).

Abb. 5: Zugstreben mit präparierten Dehnungsmesssteifen in Vollbrückenschaltung

Zur Durchführung der DMS-Präparationen war es erforderlich, sowohl die Vorder- als auch die Hinterachse komplett zu zerlegen, da die zu präparierenden Stellen im eingebauten Zustand nur schwer zugänglich waren.

Die mit Hilfe von Klebestreifen auf der angerauten und gesäuberten Oberfläche justierten Messstreifen wurden an der Vorderachse durch kalthärtendes Epoxidharz verklebt und während der Aushärtung durch ein Band mit 100 N belastet. Die Verklebung der DMS an den Zugstreben erfolgte mit heißhärtendem Epoxidharz bei 180 °C. Abschließend wurden alle Dehnungsmessstreifen mit Polyurethanlack (PU120) bzw. Silikonkautschuk (SG250) abgedeckt.

Weiterhin wurden drei Beschleunigungssensoren, je ein Aufnehmer mit einem Messbereich von 10 m/s² für die Längs- und Querbeschleunigung sowie ein Sensor mit 100 m/s² für die Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugs, eingesetzt. Die Befestigung erfolgte in einer eigens dafür gefertigten Halterung in der Fahrzeugmitte direkt vor der Vorderachse (Abbildung 6).

Abb. 6: DMS-Beschleunigungsaufnehmer

Testfahrten

Die Testfahrten erfolgten auf einem Teilabschnitt der Kartbahn „Powerhall“ in Chemnitz. Um die maximalen Belastungen auf das Fahrzeug ermitteln zu können, erfolgte zunächst eine Festlegung definierter Belastungszustände. Für die Erfassung der maximalen Querbeschleunigungen auf das Fahrzeug soll dieses eine Kurve mit höchstmöglicher Geschwindigkeit durchfahren. Für die Messung der größten Beschleunigung entlang der Fahrtrichtung erfolgt eine Verzögerung von Maximalgeschwindigkeit bis zum Stillstand (Vollbremsung). Durch Überfahren eines definierten Hindernisses (Halbkreisprofil mit 5 mm Durchmesser) kann eine stoßartige Belastung erzeugt und so eine Belastungsspitze generiert werden. Die zu Halb- bzw. Vollbrücken verschalteten DMS erfassen die bei diesen Fahrzuständen auftretenden Dehnungen, wobei zunächst die Brückenverstimmungen aufgezeichnet und die Belastungen daraus nachfolgend berechnet wurden. Nach dem Abschluss der Präparationen erfolgte eine Kalibrierung der Zugstreben durch Gewichtsbelastung und der Beschleunigungsaufnehmer (statisch) durch die Erdbeschleunigung. Dazu wurden die zuvor eingerichteten Messjobs in der HBMSoftware catman^®Easy, Version 2.24 benutzt. Zum einen konnte so die korrekte Funktionsweise der Aufnehmer überprüft werden, zum anderen ist mit Hilfe der Kalibriergrößen eine Umrechnung der Messwerte in Kraft- und Beschleunigungsgrößen möglich.

Abb. 7: Schematische Darstellung der Teststrecke auf der Kartbahn

Durch die Möglichkeit, die Kart-Halle für Versuchszwecke zu nutzen, waren optimale Bedingungen sowohl von der Fahrbahnbeschaffenheit als auch von den Witterungsverhältnissen gegeben. Entsprechend der Vorgabe durch die Belastungszustände wurde das Fahrzeug zunächst entlang der Geraden beschleunigt, um die Kurve mit hoher Geschwindigkeit zu durchfahren. Im Anschluss folgte eine Wendeschleife, um durch dieselbe Kurve wieder auf die Gerade zurückzukehren, das Hindernis mit Höchstgeschwindigkeit zu überfahren und schließlich die Vollbremsung durchzuführen.

Danach erfolgte die Wendung des Fahrzeugs. In Abbildung 7 ist der Verlauf der Teststrecke schematisch dargestellt. Insgesamt wurden 6 Messfahrten durchgeführt. Begründet ist dies in der Tatsache, dass der Fahrerin mehrere Durchläufe ermöglicht werden sollen, um die Grenzen der Belastbarkeit des Fahrzeugs zu erreichen. Außerdem bedeutet dies eine größere Anzahl von vergleichbaren Messwerten, aus denen dann die Maxima sicherer ermittelt werden können. Nach jeder Fahrt wurden die Messdaten abgespeichert, die Höchstgeschwindigkeiten in der Kurve und auf der Geraden vor dem Überfahren des Hindernisses festgehalten und die Software für eine erneute Fahrt zurückgesetzt. In der Abbildung 8 ist das Versuchsfahrzeug in voller Fahrt und in Abbildung 9 während des Boxenstopps, beim Auslesen und Abspeichern der Messwerte, dargestellt.

Abb. 8: Versuchsfahrzeug während der Testfahrt

Abb. 9: Boxenstopp zwischen zwei Messfahrten, Autor und Testfahrerin C. Gerlach

Auswertung und Schlussfolgerungen

Die Verarbeitung der Testdaten erfolgte sowohl mit der HBM-Software catman^®Easy als auch nachfolgend mit Microsoft^® Excel. Ermittelt wurden die statischen Anteile der Kräfte sowie die Maximalwerte der Belastungen bei dynamischer Beanspruchung. Zu Beginn der Auswertung erfolgte die Exportierung der Messwerte aus catman^®Easy in ein ASCII-Format, um diese anschließend in Excel zu importieren. Die eingefügten Datensätze wurden vor der Weiterverarbeitung zunächst aufbereitet. Sowohl vor als auch nach jeder Fahrt existierte, bedingt durch Eingriffe am Fahrzeug (Umbau, Arbeiten am Laptop etc.), in den Rohdaten eine gewisse Anzahl an verfälschten Messwerten, welche dementsprechend entfernt wurden. Im Ergebnis enthielt jede Messreihe die Aufzeichnung der Belastungsdaten während einer Messfahrt zur Ermittlung der dynamischen Kennwerte sowie zusätzlich je 5 Sekunden zu Beginn und zum Schluss, um die statischen Werte der Kräfte zu bestimmen. Zur Errechnung der resultierenden Kraft- und Beschleunigungsgrößen aus den aufgezeichneten Spannungsverhältnissen der Aufnehmer wurden die Ergebnisse aus den vorangegangenen Kalibriermessungen verwendet. Die Bestimmung der Biege- und Torsionsmomente am  Aluminiumrohr erfolgte nach denGleichungen (1) bis (4), die in ähnlicher Form u.a. auch in ^[2] angegeben sind.

Das Biegemoment ergibt sich bei Halbbrückenschaltung aus

wobei das axiale Flächenträgheitsmoment aus

folgt. Für die Berechnung des Torsionsmomentes gilt

mit

als polares Flächenträgheitsmoment.

Die in (1) bis (4) auftretenden Größen sind im Folgenden zusammengestellt.

Aus der Vielzahl der Messdaten werden im Folgenden vier Grafiken exemplarisch vorgestellt. Anhand der Verläufe der Querbeschleunigung (Abbildung 10) des Fahrzeugs und der Kräfte (Abbildung 12 und 13) auf die langen Zugstreben lässt sich der Streckenverlauf aus Abbildung 7 gut nachempfinden. Negative Beschleunigungswerte stellen dabei Linkskurven dar während positive Werte den Rechtskurven entsprechen. Ein Vergleich der Beanspruchungskurven der beiden langen Zugstäbe zeigt sowohl Passagen mit entgegengesetztem (Kurvenfahrt, Sekunde 40-57) als auch mit gleichem Verlauf (Geradeausfahrt, Sekunde 57-65). Abbildung 11 zeigt deutlich, dass lediglich während etwaiger Bremsmanöver Torsionsmomente in die Vorderachse eingeleitet werden. Insgesamt kann aufgrund dieser Verläufe sowohl die hohe Qualität der Präparationen als auch die ordnungsgemäße Funktionsweise der Aufnehmer im Laufe der Versuche nachgewiesen werden.

 

 Abb. 10: Verlauf der Querbeschleunigung

Abb. 11: Verlauf des Torsionsmomentes

Abb. 12: Kraftverlauf am langen Zugstab links

Abb. 13: Kraftverlauf am langen Zugstab rechts

Mit Hilfe dieser Ergebnisse kann nun eine genaue Aussage über die Leistungseffizienz der Bauteile erfolgen. So besteht zum Beispiel Verbesserungspotential bei der Auslegung der Streben zur Aufhängung der Hinterachse. Aufgrund der relativ geringen Kräfte können hier wesentlich geringere Stabquerschnitte gewählt werden. Im Bereich der Vorderachse bietet die Verwendung des Karbonrohres derzeit die beste Lösung, da dieses Bauteil bei Kombination von Torsion und Biegung um mehrere Achsen die maximale Steifigkeit gewährleistet. Für den Bereich zwischen den beiden Aluminiumböcken kann jedoch auf das Rohr verzichtet werden. Hier werden keine Torsionsmomente eingeleitet und bezüglich reiner Biegung besitzen beispielsweise schmale I-Profile eine wesentlich höhere Steifigkeit bei gleichem Querschnitt. Bei der Auslegung der Bremsanlage besteht aufgrund der untergeordneten Relevanz einer guten Verzögerung die Möglichkeit weiterer Gewichtseinsparungen.

Literatur

[1] www.fortis-saxonia.de
[2] Hoffmann, K.: Eine Einführung in die Technik des
Messens mit Dehnungsmessstreifen, Darmstadt,
Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (1987).