Optimierung eines Fahrzeug-Querlenkers durch HBK-Messtechnik

Im internationalen Wettbewerb "Formula Student" treten Teams aus Hochschulen und Universitäten in unterschiedlichsten Disziplinen mit selbst entwickelten und gebauten Fahrzeugen gegeneinander an.

Eines der Teams, das ständig auf der Suche nach neuen Wegen ist, die schnellstmögliche Rundenzeit zu erreichen, ist "High Speed Karlsruhe" von der Hochschule Karlsruhe.

Die Aufgabe

Um die bestmögliche Rundenzeit zu erreichen, ist für das Fahrzeug des Teams „High Speed Karlsruhe“ geringes Gewicht von entscheidender Bedeutung. Dies kann durch Reduzierung der ungedämpften Massen, einschließlich des Gewichts der Querlenker, erreicht werden. 

Die Lösung

Die Idee ist, die Querlenker komplett aus kohlefaserverstärktem Kunststoff herzustellen. Daher wurden Simulationen durchgeführt, um die Auswirkungen auf den Querlenker zu analysieren. Diese müssen nun durch physikalische Zug- und Druckversuche validiert werden.  

Das Ergebnis

Dehnungsmessstreifen von HBK wurden auf der Oberfläche installiert, um herauszufinden, inwiefern die tatsächlichen Kräfte den Ergebnissen der Simulation entsprechen. Darüber hinaus liefern die Ergebnisse eine Grundlage für weitere Fahrzeugtests und die Gestaltung zukünftiger Querlenker.

Die Idee: Ein Querlenker aus kohlefaserverstärktem Kunststoff

Um das Gewicht des Fahrzeugs zu reduzieren, müssen vor allem die ungedämpften Massen zwischen den Reifen und dem Feder-/Dämpfer-Paket reduziert werden. Dazu gehören auch die Querlenker, die den Achsschenkel mit dem Fahrgestell verbinden. Zur Gewichtsreduzierung wurden die Querlenker komplett aus kohlefaserverstärktem Kunststoff gefertigt. Durch die neuen Querlenker können folgende Vorteile erzielt werden:

  • Geringeres Gewicht
  • Kontrolle durch Eigenfertigung
  • Höhere Stabilität

Um die Vorteile zu nutzen, muss die Wirkung auf die Querlenker analysiert werden, wofür im Vorfeld Simulationen durchgeführt werden müssen. Zur Verifizierung dieser Simulationen müssen Tests mit installierten Dehnungsmessstreifen erfolgen, um herauszufinden, inwiefern die tatsächlichen Kräfte den Ergebnissen der Simulation entsprechen.

Vorbereitung der Messung: Einfache Installation von Dehnungsmessstreifen mit dem HBK-Starterkit

Die Zugversuche auf einem Prüfstand erfordern eine Vorbereitung der Querlenker des vorherigen Fahrzeugs. Zur optimalen Erfassung der Kräfte müssen Dehnungsmessstreifen in Richtung der Krafteinwirkung entlang der Querlenker installiert werden. Dies geschieht mit dem HBK Starterkit, das alle notwendigen Materialien für die Installation enthält.

Für eine ordnungsgemäße Installation der Dehnungsmessstreifen muss die Oberfläche zunächst mit einem chemisch reinen Reinigungsmittel (z.B. RMS1) gereinigt werden, das im Starterkit enthalten ist. Die Reinigung kann ganz einfach mit den beiliegenden Vliespads erfolgen. Anschließend wird die Oberfläche in mehreren Durchgängen mit Schleifpapier aufgeraut und mit dem beiliegenden RMS1 erneut gereinigt. Der Dehnungsmessstreifen wird mit dem schnell härtenden Klebstoff Z70 und der mitgelieferten Fluorpolymer-Trennfolie auf dem Querlenker installiert. 

Das Starterkit ist der ideale Begleiter für erste Versuche mit Dehnungsmessstreifen. Darüber hinaus bietet das beiliegende Buch wertvolle Informationen zu Dehnungsmessstreifen und Messkreisen und wird ideal durch Video-Tutorials auf der HBM-Website ergänzt.

Messaufbau und Durchführung der Messung

Die Zug- und Druckversuche werden in den Laboren der Hochschule Karlsruhe durchgeführt, um die Materialverbindung der Dehnungsmessstreifen zum kohlefaserverstärkten Kunststoffrohr zu prüfen und zu bewerten, ob zukünftige Tests am fahrenden Fahrzeug funktionieren würden. 

Dazu werden die Querlenker in die Prüfmaschine eingespannt. Dies geschieht durch eine speziell entwickelte und gefertigte Spannvorrichtung, die den Querlenker optimal fixiert. 

Der Spannungsausgang der analogen HBK-Verstärker wird mit einem Multimeter gemessen und dann mit den Ergebnissen der Zugprüfmaschine verglichen. 

Da jeweils nur eine der beiden Streben für die Messung verwendet wird, wird der zweite Dehnungsmessstreifen für die Temperaturkompensation mit einer Viertelbrückenschaltung genutzt. Dazu werden die Einstellungen der Werte für die Dehnungsmessstreifen, die auf den beiliegenden Datenblättern zu finden sind, in den Messverstärker eingegeben und mit einem integrierten Drehpotentiometer eingestellt.

Die Messergebnisse und ihre Interpretation

Die Messung wurde nach dem Prinzip der Linearisierung durchgeführt, so dass von der Prüfmaschine unterschiedliche Kräfte aufgebracht und an diesen Punkten die Spannungen abgelesen werden konnten. Dadurch ist es möglich festzustellen, ob die Dehnungsmessstreifen eine identische Kraftkurve zeigen wie, in diesem Fall, der Traktor.

Es wurde ein Zugversuch durchgeführt, bei dem die Spannung aus dem entspannten Zustand heraus in 5-kN-Schritten bis 20 kN aufgebracht wurde. Dieser Test wurde gewählt, weil in früheren Tests andere Querlenker bei > 25 kN beschädigt wurden.

Messdaten des Zugversuchs

Im Druckversuch wurde die Last in 2,5-kN-Schritten aus einer kraftfreien Position bis 7,5 kN erhöht. Auch hier ist eine relativ lineare Progression zu erkennen.

Messdaten des Druckversuchs

In einem zusätzlichen Zugversuch wurde die Befestigung des Querlenkers zerstört. Dennoch ist ein lineares Verhalten der Kraftkurve deutlich erkennbar.

Messdaten des Triebfahrzeugs während eines Bruchtests

 

Alles in allem bilden die aus den Tests gewonnenen Erkenntnisse eine Grundlage für weitere Fahrzeugtests und wurden zudem bei der Gestaltung neuer Querlenker berücksichtigt.


Über High Speed Karlsruhe

Seit 10 Jahren nimmt das Projekt "High Speed Karlsruhe" der Hochschule Karlsruhe mit speziell entwickelten und gefertigten Fahrzeugen am Formula Student-Wettbewerb teil. 

Die Formula Student bietet Studierenden aus Technik und Wirtschaft die Möglichkeit, theoretisches Wissen in realitätsnahe Praxiserfahrung umzusetzen. Ziel ist die unabhängige Entwicklung, Konstruktion und Produktion eines Rennwagens durch die studentischen Teams über einen Zeitraum von einem Jahr. Derzeit arbeiten 44 Studierende aus den unterschiedlichsten Studiengängen und Alumni der Hochschule Karlsruhe gemeinsam an der Entwicklung und Produktion von Fahrzeugen.


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