Validierte Wirklichkeit: Dehnungsmessstreifen sorgen für sichere Auslegung von Bauteilen im Rennauto des AMZ

Seit vielen Jahren nimmt der Akademische Motorsportverein Zürich (AMZ) an den weltweiten Formula Student-Wettbewerben teil. Formula Student: Dies ist eine Serie von Wettbewerben, in denen von Studenten konstruierte Rennwagen gegeneinander antreten. Neben der Top-Geschwindigkeit geht es bei Formula Student vor allem um eine intelligente und innovative Konstruktion der Fahrzeuge.

Gerade beim Engineering fährt der AMZ immer wieder Spitzenpositionen ein: So hat das Team aus Zürich bei den vier Formula Student-Wettbewerben im Jahr 2013 jedes Mal den „Best Engineering Award“ erhalten – ein Rekord.

Diese Ingenieurskunst – erbracht von Studenten – basiert auf umfangreichen Planungen und Tests der ausschließlich elektrisch betriebenen Rennwagen. Im Rahmen der Validierung von Modellierungen und FEM-Simulationen setzte das AMZ-Team deshalb auch auf umfangreiche Tests mit Dehnungsmessstreifen von HBM.

Die Aufgabe: Validierung von Modellierungen und FEM-Simulationen

Warum? Die Ergebnisse der FEM-Simulationen vieler Bauteile sind direkt abhängig von der Modellierung. Da bereits die Modellierung viele Vereinfachungen und Annahmen beinhaltet, summieren sich die Fehler auf. Diese Fehler fließen dann direkt in die Simulation ein, die einen direkten Einfluss auf das Aussehen des fertigen Bauteils hat.

Auch die FEM-Simulation beinhaltet durch die Komplexität der dynamischen Lastverhalten und Ungewissheiten des Materials viele Unbekannte. Ein ungeübter Ingenieur kann schnell falsche Schlüsse aus FEM Analysen ziehen und so unterdimensionierte Bauteile in den Umlauf geben. Im Fall des AMZ bedeuten unterdimensionierte Bauteile sogar, dass nicht nur das Fahrzeug, sondern auch der Fahrer gefährdet wird.

Bisher wurde das vom AMZ gebrauchte Modell noch nicht validiert. Dies war ein Grund für das Experiment. Ein weiterer Grund liegt in der Validierung des aerodynamischen Abtriebsbeiwertes. Die Flügel des Fahrzeugs werden während der Entwicklungsphase erstmals mittels CFD-Simulation am Computer getestet. Ein Problem hierbei: Das gesamte Komponenten-Paket lässt sich erst nach dem Bau des Rennautos validieren.

Um künftige Autogenerationen aerodynamisch zu verbessern, ist es sehr wichtig die Berechnungen zu verifizieren, um zu entscheiden wie gut die Konstruktion effektiv ist. Einerseits wurden die Komponenten im Windkanal getestet, andererseits sollten die DMS-Tests die genauen Eigenschaften des Fahrzeugs auf der Rennstrecke aufzeigen. Der Windkanal ist mit seinen gleichbleibenden Bedingungen gut für direkte Vergleiche verschiedener Einstellungen, allerdings nicht optimal, um die genauen Abtriebsbeiwerte im Rennbetrieb zu messen. Diese Parameter können direkt berechnet werden, wenn die im Betrieb wirkenden Pushrod-Kräfte bekannt sind.

All diese Gründe gaben den Anreiz eine ordentliche DMS-Messung durchzuführen. Der Fehler des Modells aber auch die zur Bestimmung des aerodynamischen Abtriebsbeiwert benötigten Pushrod-Kräfte konnten mittels experimenteller Spannungsanalyse durch DMS bestimmt werden.

Der Messablauf

Die gesamte Messung mit Dehnungsmessstreifen war für den Erfolg des Formula Student-Projektes des AMZ kritisch. Damit die Resultate auch Sinn ergaben, musste mindestens vorausgesetzt werden, dass die mechanische Arbeit sorgfältig erledigt wurde. Dazu gehört vor allem die Applikation der Dehnungsmessstreifen. Zudem wurde vor dem Testtag eine vollständige Kalibrierung der Dehnungsmessstreifen vorgenommen.

Testverfahren

Es wurden vier Tests auf dem Hockenheim-Ring durchgeführt, um die benötigten Kräfte für die Validierung abzudecken:

  • Kurvenfahrt
  • Bremsen
  • Autocross
  • Geradeausfahrt

Bei der Kurvenfahrt wurden drei unterschiedlich große Kreise gefahren. So konnten unterschiedliche Querbeschleunigungen gefahren werden. Beim Bremsen wurde das Fahrzeug auf maximale Drehzahl beschleunigt und dann mit voller Wucht abgebremst. Beim Autocross wurde eine schnelle Autocross- Stecke abgefahren. Es wurde darauf geachtet, dass die Strecke alle wichtigen in der Formula Student und im Testbetrieb vorkommende Elemente aufweist. Sie beinhaltete einen Slalom, eine schnelle Kurve, bei der hineingebremst werden musste, einen geraden Teil, wo das Fahrzeug auf maximale Geschwindigkeit beschleunigen konnte und weitere kleinere Elemente. Die Streckenlänge betrug 422 m. Zum Schluss wurden noch gewisse Tests auf dem geraden Streckenteil bei konstanter Geschwindigkeit gefahren.

Um die Lastfälle zu validieren musste als Nebeninformation zum Dehnungsverlauf auch noch der Beschleunigungsverlauf gemessen werden. Diese wurden direkt mit den im Auto integrierten G-Sensoren von HBM gemessen. Da diese Sensoren jedoch auf einem separaten Messcomputer geloggt wurden, mussten die beiden Modulzeiten synchronisiert werden.

Dies wurde gemacht, indem zu Beginn jeder Messung vier Mal auf das Auto gedrückt wurde. Somit wurde eine Dehnung in den DMS und eine Verschiebung in den Feder-Dämpfer Potentiometer aufgenommen. Während der Datenanalyse konnten so die beiden Zeiten synchronisiert werden.

Deutliche Unterschiede zu Simulations-Werten

QuantumX data acquisition modules: CX22-W and MX1615

Mit Hilfe der Messungen konnten sowohl die Lastfälle im Fahrwerk als auch der Abtriebsbeiwert validiert werden.

Bei den Lastfällen wurden 15 % höhere Lasten als berechnet gemessen. Grund für die höheren Lasten sind Spannungsspitzen durch Vibrationen des Fahrzeuges aufgrund von Unebenheiten der Straße, welche in den Modellen nicht berücksichtigt werden.

Aufgrund der Lastfallvalidierung werden deshalb die Sicherheitsfaktoren im Fahrwerk in der nächsten Saison angepasst, um diese Spannungsspitzen zu berücksichtigen und somit eine höhere Sicherheit gegen Versagen zu erreichen.

Bei den Messungen des Abtriebsbeiwertes wurden 10 % kleinere Werte als im Windkanal gemessen. Dieser Unterschied wird wiederum auf die Vibrationen des Fahrzeuges und die Unebenheit der Strasse zurückgeführt, welche nicht mit den Laborbedingen im Windkanal übereinstimmen.

Im Großen und Ganzen kann gesagt werden, dass mit Hilfe der DMS-Messungen das Verhalten des Fahrzeuges auf der Rennstrecke besser verstanden wurde und mit den gewonnenen Daten die Auslegung des neuen Rennwagens für die nächste Saison vereinfacht gestaltet werden kann.

Bei ihren Untersuchungen und Tests vertrauten der AMZ nicht nur auf Dehnungsmessstreifen von HBM – sondern auch auf das Messdatenerfassungssystem QuantumX MX1615 für das Messen mit Dehnungsmessstreifen, in Kombination mit dem Datenrekorder-Modul QuantumX CX22-W zur lokalen Speicherung der Messdaten.

Der Brücken-Messverstärker QuantumX MX1615 ermöglicht den Anschluss von bis zu 16 Dehnungsmessstreifen pro Modul. Dank Trägerfrequenz-Technologie sorgt das Modul für sichere Messergebnisse, auch unter schwierigen Einsatzbedingungen.

Über AMZ

Der Akademische Motorsportverein Zürich (AMZ) wurde 2006 von Studierenden der ETH Zürich gegründet und entwickelt – als einziges Team aus der Schweiz - jährlich einen Prototyp für verschiedene Formula Student Wettbewerbe in Europa.

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