Optimierung eines Fahrzeug-Querlenkers durch HBK-Messtechnik

Universitäten auf der ganzen Welt nehmen am Formula Student Wettbewerb teil, so auch das Team FaSTDa (Formula Student Team der Hochschule Darmstadt). Die Teams wetteifern darum, wer den besten Rennwagen hinsichtlich Konstruktion, Leistung und Kosten baut.

Der Wettbewerb wird in den Kategorien Verbrennungsmotor, Elektroantrieb und autonom fahrende Fahrzeuge ausgetragen. Der Vorteil für die Studierenden: Sie sammeln über das Studium hinausgehende praktische Erfahrungen in der Fahrzeugentwicklung, -produktion und -finanzierung.

Die Aufgabe

Um den Formula Student Wettbewerb zu gewinnen, muss das Formula Student Team der Hochschule Darmstadt (FaSTDa) das Gewicht und die Belastbarkeit des Querlenkers optimieren.

Die Lösung

Zur Ermittlung der tatsächlich am Querlenker anliegenden Normalkraftbelastung sowie eine aufgrund der Fahrwerksgeometrie mögliche Biegebelastung, entwarfen die Studierenden einen Test- und Messaufbau unter Verwendung von HBK-Dehnungsmessstreifen, -Datenerfassungssystem und -Software.

Das Ergebnis

Die mittels der präzisen und erprobten HBK-Messtechnik erzielten Ergebnisse dienen nun als Grundlage für anschließende Leichtbaumaßnahmen und weitere Optimierungen am Querlenker.

Applikation

Die Darmstädter Studierenden beschäftigten sich im Rahmen dieses Wettbewerbs mit der Optimierung von Gewicht und Belastbarkeit einer Fahrwerkskomponente: dem Querlenker.

Der Querlenker richtet das Rad eines Fahrzeugs aus und stabilisiert es; er ist mit dem Chassis und dem Rad verbunden. Jeder Querlenker setzt sich aus zwei am Chassis befestigten Kugelköpfen, den beiden Querlenker-Armen und einem sogenannten „A“ mit eingepresstem Kugelgelenk zu einem vollständigen Dreiecks-Querlenker zusammen.

Im Rahmen der Optimierung galt es zunächst, die tatsächlich am Querlenker anliegende Normalkraftbelastung sowie eine aufgrund der Fahrwerksgeometrie mögliche Biegebelastung zu ermitteln. Zu diesem Zweck entwarfen die Studierenden einen Test- und Messaufbau unter Verwendung von HBK-Dehnungsmessstreifen (DMS), -Datenerfassungssystem und -Software zur Visualisierung und Auswertung der Daten.

Fig. 1: Typischer Aufbau eines Dreiecks-Querlenkers

Das auf die Applikation angepasste Messsystem wurde anschließend im Fahrzeug verbaut, um unter verschiedenen Betriebszuständen Daten zu sammeln und auszuwerten. Die so gewonnenen Erkenntnisse sollten dem Team als Entscheidungsgrundlage für konstruktive Änderungen am Querlenker dienen.

Messaufbau

Der Arm des Querlenkers wurde als schwächste Stelle bestimmt, an der eine Dehnung am deutlichsten zu messen sein sollte. Jede Verformung, wie z. B. die Dehnung oder Stauchung eines Bauteils, bewirkt im DMS eine Änderung des Widerstands, die als Spannungsänderung gemessen werden kann.

In diesem Fall brachten die Studierenden folgende Dehnungsmessstreifen an:

Für die zu messende Zug-/Druckbelastung zwei um 90° versetzte Dehnungsmesstreifen.
Für die Messung der Biegedehnung zwei gegenüberliegende DMS auf dem Querlenkerarm.

Passend zu den Messaufgaben und der normalen Umgebungsbedingungen kamen lineare, in Halbbrücken verschaltete und selbst kompensierende Standard-DMS zum Einsatz.

Anschließend wurden die DMS verkabelt und auf die zu erwartenden Normalkräfte kalibriert. Während dieser Kalibrierung wurden den Spannungsänderungen, die aus der Dehnung resultierten, konkrete Kraftwerte zugeordnet.

_{Abb. 2: Lineare DMS in Halbbrückenschaltung zur Messung von Dehnung aufgrund von Zug/Druck (re.) und Biegedehnung (li.)}

Die Messungen

Nachdem die mit DMS ausgerüsteten Querlenker wieder im Fahrzeug montiert waren, sollten die Messungen unter möglichst realistischen Bedingungen durchgeführt werden, um plausible und übertragbare Ergebnisse zu erzielen. Daher führten die Studierenden die Messfahrten unter Idealbedingungen bei gutem Wetter auf einer Kart-Bahn durch, die sowohl vom Asphaltbelag als auch von der Streckenführung der eines Renn-Events ähnelte.

Das Team definierte drei verschiedene Fahrszenarien, die maximale Kräfte an den Dreiecks-Querlenkern hervorrufen:

Die Rundenfahrt über mehrere Runden
Start/Stopp-Fahrt mit maximaler Beschleunigung sowie maximaler Verzögerung
Kurvenfahrt mit Bremsung

Für die Erfassung und Auswertung der Messwerte verwendete das Formula Team der Hochschule Darmstadt Komponenten des seit vielen Jahren etablierten Messdatenerfassungssystems QuantumX und die catman AP Software von HBK.

Messtechnische Gesamtlösung dank abgestimmter Komponenten: Sensoren, QuantumX-Datenerfassungsystem, Software catman von HBK# — Abb. 3: Messtechnische Gesamtlösung dank abgestimmter Komponenten: Sensoren, QuantumX-Datenerfassungsystem, Software catman von HBK

Die DMS-Messverstärker dieser Reihe eignen sich besonders für die wiederholbar präzise und störunempfindliche Messung von Dehnungsmessstreifen in Vollbrücken-, Halbbrücken- und Viertelbrücken-Konfiguration und sind eine ideale Wahl, wann immer Dehnungen und Kräfte gemessen werden und Einflüsse der Umgebungstemperatur eine Rolle spielen und kompensiert werden müssen. Zusammen mit dem QuantumX-Datenrekorder und der vorinstallierten Software catman ergibt sich ein für mobile Anwendungen geeignetes zuverlässiges, autarkes und robustes Messdatenerfassungsystem, das sich in allen Bedienschritten einfach gestaltet - Konfiguration, Visualisierung, Automatisierung (Widerholsequenz, Scripting), Auswertung, Datenablage und Berichterstellung.

Fazit

Die Auswertung der Messungen von Zug-/Druck- und Biegekräften im Fahrzeugbetrieb ergab, dass die Werte für die Normalkräfte plausibel waren, d. h. es ist anzunehmen, dass sie tatsächlich so vorhanden sind. Die Biegedehnungsmessung ergab, dass am Querlenkerarm eine nur minimal vorhandene Biegebelastung anliegt.

Diese mittels der präzisen und erprobten HBK-Messtechnik erzielten Ergebnisse dienen nun als Grundlage für anschließende Leichtbaumaßnahmen und weitere Optimierungen am Querlenker.

Über FaSTDa Racing

FaSTDa Racing wurde 2007 von einer kleinen Gruppe engagierter Studenten der Hochschule Darmstadt gegründet. In der Saison 2020 besteht das Team aus 50 Mitgliedern der verschiedensten technischen und wirtschaftlichen Studiengänge. Die Fähigkeiten jedes Mitglieds ergänzen sich gegenseitig, wodurch jedes Bauteil harmonisch und effizient funktioniert, um gemeinsam als Team binnen 8 Monaten einen leistungsstarken Rennwagen aufzubauen. Jedes Jahr wirbt FaSTDa Racing neue Mitglieder und bereiten sich auf die internationalen Formula-Student-Wettbewerbe vor.

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