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Wie vielleicht dem ein oder anderen aufgefallen ist, lässt meine Aktivität hier im Forum immer mehr ab, einer der Gründe ist, das sich nun im zweiten Jahr bei einem Formula Student Team dabei bin (www.ka-raceing.de) und ich in diesem Jahr für unser Chassis verantwortlich bin, was so ziemlich meine gesamte Freizeit frisst bzw. die Bedeutung von Freizeit etwas anders definiert, so gesehen habe ich also nur noch Freizeit Nein, Spaß beiseite - wenn man einen Rennwagen selbst konstruiert, fertigt und dann damit auf Events in der ganzen Welt antritt, dann nimmt das schon eine sehr große Bedeutung im Leben an. Aber genau deshalb nehme ich das ganze auch mit. Es macht einen riesigen Spaß etwas auf die Beine zu stellen, und dank der Unterstützung der Industrie mache ich gerade Dinge, von denen andere nur träumen - wie zum Beispiel ein Monocoque aus Kohlefaser entwickeln. Wann anders als im Studium bei einem solchen Projekt hat man denn für so etwas später nochmal die Möglichkeit Und dank zahlreicher Unterstützung aus der Industrie kann man mit Materialien spielen, deren Wert deutlich im 5 bis 6 stelligen Bereich liegen. Das Monocoque selbst hat uns dank solcher Unterstützungen gerade mal das Verbrauchsmaterial aus dem Baumarkt gekostet - Daher versuche ich gerade jetzt soviel wie möglich mitzunehmen, denn diese Chance habe ich später sicher nicht mehr Da ich finde, dass Kohlenstofffaser ein sehr interessanter Werkstoff ist, der viele andere sicher auch interessieren könnte, dachte ich mir, dass ich dem ganzen mal in ein Thema widmen könnte. Fangen wir mal einfach mal an: Die Idee hinter der Formula Student ist, dass Studenten jedes Jahr einen neuen Rennwagen konstruieren, bauen und fahren - Dieses Jahr haben wir Auto 6 und 7 gebaut in Form des KIT11 mit einer dualen Benzindirekteinspritzung+Saugrohreinspritzung auf 600ccm Basis und dem KIT11e mit zwei steuerbaren Elektromotoren mit insgesamt 90kw. Wir haben bereits im September angefangen, ein Konzept auszulegen. 2009 und 2010 hatten wir schon 2 Monocoques konstruiert, aber mit einem Carbonhinterbau. Dieses Jahr haben wir uns aus diversen Gründen für ein CFK-Monocoque mit einem Stahlrohrhinterbau entschieden. Erste Ideen haben wir dann ganz einfach auf Papier ausgearbeitet, mehr oder weniger schön - aber für ein Konzeptpapier reicht das schon Was wir also machen wollten, hatten wir dann also festgelegt. Was in der Zeit bis Weihnachten erfolgte, war ein iterativer Prozess um alles unter einen Hut zu bringen. Wir haben das Fahrzeug um den Fahrer gebaut - die Sitzposition stand also als erstes fest. Hierfür haben wir uns eine verstellbare Sitzkiste gebaut und solange herumgedreht, bis alle Fahrer zufrieden waren und diese dann ins CAD gebracht. Nun passte der Fahrer also ins Auto - die restliche Arbeit bestand darin, alle Fahrwerkspunkte, Motor, Kabel, Schläuche etc. zu integrieren. Am gesamten Chassis waren es am Ende über 300 Schnittstellen! Zudem mussten beim Rahmen z.B. versteifende Triangulationen beachtet werden - das alles unter einen Hut zu bringen, der für alle Parteien tragbar ist, hat uns selbstverständlich viel Zeit gekostet, hat aber am Ende doch sehr gut geklappt. Parallel dazu muss das ganze natürlich auch ausgelegt und berechnet werden. Da es von der Formula Student ein 120 seitiges Regelwerk gibt, wovon ca. die Hälfte sicherheitsregeln des Chassis sind, mussten wir zahlreiche Werkstofftests machen um zu zeigen, dass unser Monocoque den Fahrer auch im Falle eines Unfalls schützt. Hierfür haben wir zahlreiche Carbon-Platten gebogen, Bolzen in alle Richtungen ausgerissen und am Ende ca. eine Woche in unserer Materialprüfanstalt verbracht. Die ganzen Tests müssen natürlich möglichst originalgetreu aufgebaut werden, also haben wir zum Beispiel auch den Gurt mitgetestet und unterschiedliche Lagenaufbauten aus Aramid und Kohlefaser ausprobiert, bis wir alle geforderten Werte erfüllt hatten und sicher sein konnten, dass unser Auto auch im Worstcase nicht zur Todeskugel wird. Parallel dazu haben wir noch einige andere Werkstofftests mit Dehnmessstreifen etc. gemacht, um die ganzen Kennwerte von unseren verwendeten Materialien zu bestimmen. Über die Auslegung des gesamten Chassis wurde übrigens eine wissenschaftliche Arbeit geschrieben, das wäre also etwas zuviel, das hier näher zu erläutern ;-) Wir haben zur Berechnung diverse Finite Elemente Programme von Altair verwendet, wobei alle FE-Programme auf einem Code basieren und im Prinzip nur eine andere Benutzeroberfläche haben. Von der Berechnung her unterscheidet sich ein Rahmen von einem Monocoque dann doch etwas. Nur mal als Beispiel: Für Stahl benötigt man zur groben Auslegung gerade mal 2 Werkstoffkonstanten - bei CFK sind es deren 21. Zudem gibt es bei Stahl schon zahlreiche gute und zuverlässige Festigkeitshypothesen, mit denen man sauber rechnen kann. Bei Faserverbundwerkstoffen gibt es natürlich ebenfalls ein paar Hypothesen, aber eine 100% treffende gibt es noch nicht. Hier besteht also noch sehr viel Potential in der Zukunft. Um das Monocoque zu berechnen haben wir das CAD Modell in das Programm geladen und mit einer Freesize-Optimierung begonnen. Bei der Freesize-Optimierung wird in mehreren Schritten eine optimale Dickenverteilung berechnet, also wieviel CFK und wieviel Schaumkern überall sein sollte, damit es optimal Steif wird. Da bekommt man dann für jeden Lastfall viele schöne bunte Bilder raus, die zum Beispiel so aussehen: Wobei man hierbei zwischen einer Festigkeits- und einer Steifigkeitsauslegung unterscheiden muss! ersteres geht bis hin zum Versagen (also ein normales Bauteil), zweites darf nicht versagen und ist dementsprechend so, dass es steif ist. Faserverbundwerkstoffe funktionieren im Prinzip ganz einfach: Man hat Fäden, an denen man ziehen kann. Und diese Fäden werden von einer Kunststoffmatrix (in unserem Fall Epoxidharz) in Position gehalten. Es gibt Carbon in unterschiedlichsten Verwebungen und Ausrichtungen. Gängig sind zum Beispiel (und haben wir ebenfalls im Monocoque verbaut): Bidirektional Gewebe: Das Gewebe ist im Vergleich zum Gelege gewebt. Relativ logisch, auch wenn man es oft verwechselt. Wir verwenden eine Köper-Webung, also immer 2 Rovings (so heißen viele Kohlenstofffasern zusammen) über 2 weitere. Hierdurch entsteht der charakteristische Carbonlook. Der Nachteil von Gewebe ist aber die sogenannte "Ondulation" - also die negative Einwirkung von Querkräften auf die Faser. Klingt jetzt erstmal banal und unverständlich, ist aber relativ einfach zu erklären: Solange man an einer Faser zieht, hält sie viel auf. Sobald man aber zB einen Knoten in die Faser macht und dann zieht, dann bekommt man Querkräfte hinein - es macht plopp und die Faser ist kaputt. Im Laminat selbst hat man natürlich keine Knoten, aber man hat dennoch durch die Webung eine Umlenkung in der Faser, wodurch man automatisch Querkräfte bei Belastung induziert. Die Festigkeitswerte werden herabgesetzt. Die Umlenkung bei Gewebe kann man hier ziemlich gut sehen, das waren ca. 12 oder 13 Schichten Gewebe Aus diesem Grund benutzen wir für die darunterliegenden Schichten kein Gewebe, sondern Gelege. Hier sind die Fasern "gelegt" und damit ohne Umlenkung. Dadurch kann man einige % an Gewicht sparen. Das kann man hier ganz gut erkennen: Und so sieht das Zeug dann "roh" aus: [...]