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Handicap Air Restrictor – wie strömt die Luft durchs Nadelöhr?

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Simulation
Handicap Air Restrictor –
wie strömt die Luft
durchs Nadelöhr?
Eingeschränkte Durchfahrt: Nicht zuletzt um die in der Fomula Student begrenzten Budgets zu
schonen, werden viele Teile vor der Fertigung erst auf ihre Festigkeit hin analysiert. Für diese
Berechnungen nutzt das Delta Racing Team die Lösungen von Ansys ebenso wie für die Strömungssimulation. Eine der härtesten Regeln der Formula Student verlangt, dass der Motor sein
komplettes Luftvolumen durch einen Luftbegrenzer von 20 mm Durchmesser zu saugen hat.
Laut Vorgabe müssen benzinbetriebene Motoren durch einen kreisrunden Luftbegrenzer gedrosselt werden. Um einen möglichst hohen Durchsatz an angesaugter Luft durch den Luftbegrenzer zu erreichen, ist es erforderlich, diesen so strömungsgünstig wie möglich auszulegen –
W 2010 Carl Hanser Verlag, Mbnchen
www.cad-cam.de
da hilft nur Simulation.
DELTA RACING MANNHEIM. Das
geht gar nicht: Zwar fand der Konstruktionswettbewerb ›Formula Student Germany‹ (FSG) im Jahr 2008
bereits zum dritten Mal statt, doch
fehlte immer noch ein Team aus
Mannheim, der Heimat des Automobilerfinders Karl Benz, um auf dem
benachbarten Hockenheimring an
den Start zu gehen. Deshalb gründeten ein paar Studierende im Fachbereich Maschinenbau der Hochschule
Mannheim noch im August desselben Jahres das Team ›Delta Racing
Mannheim‹. Der Gruppe schlossen
sich rund 50 Kommilitonen aus fast
allen Fachrichtungen an, um das gemeinsame Ziel, einen Rennwagen an
der Hochschule Mannheim zu bauen, in die Tat umzusetzen.
Zunächst galt es, im neuen Team
eine Struktur zu bilden, um sowohl
den technischen als auch den wirtschaftlichen Aufgabenteil der FSG zu
Autor : Gerhard Friederici, Cadfem
werk‹. Jannic Herrmann
und Mario Speckert führen wiederum die Abteilung ›Wirtschaft‹ mit den
Gruppen ›Finanzen‹ und
›Marketing‹.
Da bei der Delta-Racing-Mannschaft die Unterstützungsmöglichkeiten vielfältig sind, werden
sie individuell mit den
Partnern umgesetzt. So
erklärt Stefan Körner aus
dem Sektor Fahrwerk:
Angesteuertes Ziel: Der Fokus liegt auf dem Druck»Cadfem unterstützt uns
verlust der durchströmten Bauteile.
beispielsweise durch Limeistern. Grob gliedert sich das Team
zenzen der flexibel einsetzbaren
in die Bereiche ›Technik‹ und ›WirtFEM-Software Ansys. Das war bei der
schaft‹, denen wiederum der ProjektEntwicklung unseres ersten Rennwaleiter Karsten von Laufenberg vorgens DR 10 TC essenziell.« Neben
dem Bereich Antrieb nutzten auch
steht. Ken Holdermann und Mikis
die Abteilungen Fahrwerk und ChasGutsche leiten den Bereich Technik
sis die Simulationssoftware, um ihre
mit den Fachgruppen ›Antrieb‹,
entwickelten Bauteile zu validieren
›Chassis‹, ›Elektronik‹ und ›FahrCAD CAM 7-8/2010
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lem im Heckbereich anders als sonstige Gitterrohrrahmen aussehen.
»Zwar schreibt das Reglement der
FSG ein bestimmtes Rohrmaterial an
gewissen Stellen vor, doch bedeutet
das nicht, dass die Rahmenkonstruktion auch möglichst verwindungssteif ist sowie sonstigen Belastungen
standhält«, erklärt Stefan Körner.
Der Rahmen wurde mit Solidworks als 3D-CAD-Modell konstru-
sich dieses am besten auf die von uns
vorgegebene Rohrgeometrie einstellen ließ«, sagt Körner. »Als Ersatz für
die im FEM-Modell nicht vorhandene Geometrie des Antriebsstrangs hat
unser Chassisteam ebenfalls ein
Rohrmodell modelliert, das sich an
die Originalgeometrie anlehnt. Wir
haben es mit höheren E-Modulen
versehen, um ein sehr steifes Bauteil
zu simulieren.«
Dank des längs eingebauten Motors unterscheidet sich der Rahmen des Delta-RacingFahrzeugs von anderen Karosserien. Anhand von Festigkeitsberechnung liess sich
die Steifigkeit des
Rahmens und des teils
tragend ausgelegten
Antriebsstrangs
überprüfen. Sinnvol-
Das Übliche umfahren: Der Längseinbau der Antriebsaggregate erforderte einen
andersartigen Gitterrohrrahmen.
le Annahmen für die
Randbedingungen
sind dabei Basis für
sinnvolle Ergebnisse.
und zu optimieren. Anhand der
Überprüfung des Gitterohrrahmens
sowie der Strömungsoptimierung
von Drosselklappe, Restriktor und
Airbox soll hier ein Ausschnitt des
Entwicklungsalltags des Teams wiedergegeben werden.
Dieser Rahmen fällt
aus dem Rahmen
Entscheidend für das Aussehen des
heutigen Rahmens des DR 10 TC sind
der Antriebsstrang sowie das Fahrwerk, das in seiner Kinematik viele
Einflussfaktoren berücksichtigt. Da
der Längseinbau der Antriebsaggregate eine Seltenheit im Wettbewerb
darstellt, musste der Rahmen vor al5 6 CAD CAM 7-8/2010
iert und dabei an die Restriktionen
des Teams angepasst. Unter anderem
mussten hinter der Fahrerzelle die
Lagerstellen für den Zweizylindermotor von Weber Motor geschaffen
werden. Auch das an den Motor angeflanschte Getriebe benötigt eine
weitere Abstützung von unten. Zusätzlich stützen sich am Getriebe zwei
Verstrebungen für den vorgeschriebenen Überrollbügel ab. Im vorderen
Bereich galt es, den Rahmen an die
durch das Fahrwerksteam vorgegebenen Aufhängungspunkte anzupassen
und das Rohrfachwerk gemäß dem
Regelwerk zu vervollständigen.
Sobald der Rahmen in der gewünschten Form als CAD-Modell
stand, machte man sich daran, die
Knotenpunkte, die sich ergeben hatten, in die Ansys-Software zu übertragen. Anschließend definierten die
Ingenieure E-Modul, Poissonzahl
und Dichte. »Als Element wählten
wir das Balkenelement beam188, da
Als Lasten für den statischen Fall
verteilte das Team das angenommene
künftige Fahrzeuggewicht von 350 kg
auf verschiedene Bereiche. Aufgrund
der Dichteangabe hatte der Rahmen
bereits ein Eigengewicht von 50 kg.
Weitere 100 kg wurden in Form einer
Flächenlast auf dem simulierten Antriebsstrang angebracht. Die letzten
200 kg leiteten die Jungingenieure
ebenfalls als Flächenlast, nun aber auf
der künftigen Sitzfläche des Fahrers in
den Rahmen ein.
Auf dieser Grundlage ließen sich
erste Spannungsanalysen des Rahmens durchführen. Darüber hinaus
wurden einige weitere Lastfälle am
Rahmenmodell simuliert. Unter anderem testete das Team zum Beispiel
einen Frontalcrash mit 60 000 N und
die Durchbiegung des Fahrzeugs beim
Anheben der Hinterachse. Für die zu
ermittelnde Torsionssteifigkeit des
Rahmens wurde am vorderen Ende
des Rahmens ein Drehmoment von
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Den Druck nehmen: Dank der Simulation mit Ansys reduzierte sich der
Druckverlust in der Airbox um rund 18
Prozent.
20 000 Nm angebracht und gleichzeitig die hinteren Fahrwerkslager festgehalten. Als Ergebnis errechnete die
Ansys-Software eine Steifigkeit von
1 620 Nm/°.
Ergebnis:
weniger Druckverlust
Eine der wohl härtesten Regeln der
FSG ist, dass der Motor sein komplettes Luftvolumen durch einen
Luftbegrenzer (Air Restrictor) saugen muss. Die Vorgabe laut Regelwerk besagt, dass benzinbetriebene
Motoren durch einen kreisrunden
Luftbegrenzer von 20 mm Durchmesser gedrosselt werden müssen.
Um einen möglichst hohen Durchsatz an angesaugter Luft durch den
Luftbegrenzer zu erreichen, ist es erforderlich, diesen so strömungsgünstig wie möglich auszulegen.
Mithilfe des Programms Ansys
CFX simulierte das Team die Baugruppe Drosselklappe + Restriktor.
Als Strömungsraum wurde die Innenkontur der Baugruppe verwendet. Zusätzlich wurde eine Kugel um den Einlauf modelliert, um das Ansaugen aus
der Umgebung nachzuahmen. Um
den Rechenaufwand und damit die Simulationszeit zu verkürzen, halbierten die Ingenieure das Modell längs
seiner Symmetrieebene. Voraussetzung für eine realitätsnahe Simulation
sind die Randbedingungen einer Simulation, die an den Strömungsmodellen gesetzt werden. In diesem Fall
diente Luft als Strömungsmedium.
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Die Bedingungen des Strömungseintritts setzte man mit einem Umgebungsdruck von 1 bar und einer Temperatur von 25 °C an. Durch eine
Durchsatzberechnung des Motors ergab sich am Restriktoraustritt ein erforderlicher
Massenstrom
von
0,07 kg/s. Auch die Wandrauigkeit des
durchströmten Modells ließ sich mit
0,004 mm anhand des geplanten Fertigungsverfahrens anpassen.
Bezüglich der Änderung der Strömungsgeschwindigkeit, des Drucks,
der Temperatur und der Dichte untersuchten die Ingenieure die Modelle.
Auf dem Druckverlust der durchströmten Bauteile lag das Hauptaugenmerk. Nach der Simulation einer
zuerst willkürlich angenommenen
Restriktorgeometrie änderte das Team
alle Maße ab und führte erneute Simulationen durch, bis am Ende eine
optimale Strömungsgeometrie vorlag.
Dank der Strömungssimulation mit
Ansys Workbench verbesserte sich der
Druckverlust in der Restriktorströmung, von der ersten bis zur endgülti-
gen Geometrie, um knapp 17 Prozent.
Auch die Airbox, die als Luftsammler
für den Motor fungiert und die angesaugte Luft auf die einzelnen Zylinder
des Motors verteilt, wurde mithilfe der
Strömungssimulationen mit Ansys
CFX optimiert.
Prinzipiell führte das Team die Simulation der Airbox wie die des Restriktors durch. Man passte lediglich
die Randbedingungen der AirboxStrömung an die dortigen Verhältnisse an. Die Untersuchung der Strömung in verschiedenen Airbox-Geometrien erbrachte eine Druckverlustreduktion von zirka 18 Prozent. Dank
der Optimierung dieser Bauteile war
es möglich, ein Ansaugsystem zu entwickeln, das für eine bestmögliche
Motorperformance sorgt.
JRü
@ www.cadfem.de
Diesen Artikel finden Sie auf unserer Homepage www.cad-cam.de unter der Dokumentennummer CC110139.
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