TOMSOI V

TOmsoi V

Allgemeine technische Daten des Tomsoi V

Allgemeines

Leistung: 63 kW/ 85 PS, max. 13.900 U/min
Drehmoment: 59 Nm
Gewicht: 209 kg
Beschleunigung 0 – 100 km/h: 3,9 s

Motor

Yamaha R6 DOHC Reihenvierzylinder RJ09
Hubraum: 600 ccm
Motorsteuerung: Bosch MS 4 Sport

Antriebsstrang

Kettentrieb
Drexler Lamellensperrdifferential
Elektropneumatisch betätigtes Getriebe (4 – Gang)

Fahrwerk

Doppelte, ungleichlange Dreiecksquerlenker in Aluminium-CFK
Hybridbauweise
Vorne und hinten über Pushrods betätigte Penske
Federdämpfereinheit
Radstand: 1550 mm
Spurbreite: vorne/hinten 1200/1150
Bremsen: vorne 4 Kolben, hinten 2 Kolben Bremszangen

Chassis

Stahl- Gitterrohrrahmen
Karosserie aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, Infiltrationsverfahren

Elektronik & Informatik

uC-Getriebesteuerung mit CAN-Interface, LCD-Dashboard, Bosch Motorsport C50 Datenlogger, 868MHz SRD-Band Telemetrie

 

Chassis - TOMSOI V

 

Auch beim TOMSOI V, unserem diesjährigen Rennboliden, setzten wir beim Chassis auf einen Stahl-Gitterrohrrahmen, mit dem wir bei den bisherigen Fahrzeugen bereits ausgezeichnete Erfahrungen gesammelt konnten. Ein besonderes Augenmerk lag in diesem Jahr auf dem Steifigkeits-Gewicht-Verhältnis des Chassis. Ziel war ein möglichst leichter Rahmen, ohne dabei zu große Kompromisse bei der Rahmensteifigkeit einzugehen. Das Ergebnis dieser Herangehensweise ist ein sehr niedriges Rahmengewicht von 29kg bei einer trotzdem ausgezeichneten Rahmensteifigkeit von 1930 Nm/Grad.

Bei der Konstruktion des Chassis wurde bereits früh die Entscheidung getroffen Rohre in Inch-Abmessungen zu verwenden, um das Gewicht deutlich senken zu können. Die Querschnitte dieser Rohre entsprechen exakt denen im Reglement als Minimum vorgegeben Abmessungen, so konnte allein mit dieser Maßnahme eine Gewichtsreduktion von ca. 7% realisiert werden. Durch ausgiebiges Studieren des Reglements loteten wir die Grenzen der vorgeschrieben Rahmenstrukturen noch besser aus, indem z. B. die Abstützungen der beiden Überrollbügel deutlich kompakter ausfielen. Mit diesen Maßnahmen erzielten wir noch weitere Gewichtsersparnisse, womit sich die Gesamtreduktion des Rahmengewichts auf 12% bei annähernd gleicher Steifigkeit beläuft. Weitere Highlights des diesjährigen Chassis sind die in die Rahmenstruktur eingebaute Pedalbox und die demontierbaren hinteren Motorhalterungen, mit denen es möglich ist den Motor ohne großen Aufwand montieren zu können.

Durch die gesammelten Erfahrungen mit einem 3D-Schweißtisch aus dem letzten Jahr konnten diesmal noch detailliertere Rahmenlehren entworfen werden, um das Potential des Tisches noch besser nutzen zu können. Zusammen mit der erneuten Verwendung von mittels CNC-Fertigung speziell für uns gebogenen und zugeschnittenen Stahlrohren und weiteren Rahmenlehren für die Aufnahmen der einzelnen Fahrwerkskomponenten steigerten wir die Genauigkeit bei Fertigung enorm. Des Weiteren wurde bereits in der Konstruktionsphase besonders auf die Halter von diversen elektrischen oder mechanischen Bauteilen geachtet, um diese bereits im Vorfeld der Fertigung vorbereiten zu können und somit die Rahmenherstellung deutlich zu vereinfachen.

Auch in diesem Jahr wurde wieder die Torsionssteifigkeit des Gitterrohrrahmens durch ausgiebige Berechnungen mit der Finiten Elemente Methode optimiert. Die Balkenmethode erwies sich erneut als perfekter Weg die Steifigkeit zu bestimmen, da die Berechnungszeiten äußerst gering sind und somit eine Vielzahl an verschiedenen Konfigurationen simuliert werden konnten. Um den Kraftfluss im Chassis noch besser darstellen zu können, wurde das komplette Fahrwerk in das Simulationsmodell aufgenommen. Somit konnte eine Torsionssteifigkeit von 1930 Nm/Grad erzielt werden.

 

Elektronik & Informatik - TOMSOI V

In der Planungsphase des TOMSOI V legten wir diese Saison besonderen Wert auf eine zuverlässige und ausfallsichere Verkabelung. Durch Modularisierung des Kabelbaumes wurde hierbei das Augenmerk auf die Wartungsfreundlichkeit gelegt.

Wie im Motorsport üblich kommen ausschließlich Hochleistungsmaterialien aus dem Luftfahrtbereich bei der Kabelbaumfertigung zum Einsatz. Spec55 Kabel, DR-25 Schrumfpschläuche und Motorsportstecker entsprechen den Anforderungen, auch unter hohen Temperaturen und dem Kontakt zu Chemikalien wie Kraftstoff oder Bremsflüssigkeit eine fehlerfreie Signalübertragung sowie die Spannungsversorgung sicherzustellen. Kurze Kabelwege und kleinstmögliche Leitungsquerschnitte halten das Gesamtgewicht auf einem sehr niedrigen Niveau.

Erstmals wurden die mechanischen Relais durch eine MOSFET-Schaltung ersetzt. Durch den Einsatz von Mikrocontrollern (ATMEL AT90CAN128) konnten auch erstmals Live die Ströme der einzelnen Verbraucher, wie Steuergerät, Benzinpumpe, Zündung und Lüfter überwachen. Durch zusätzliche LED´s auf der Schaltung konnten bevorstehenden Probleme - wie z.B. zu hoher Stromverbrauch - frühzeitig erkannt werden. Auch dienten diese LED´s zur Funktionsüberprüfung.

Wir beschränkten uns dieses Jahr auf ein 3-Zeiliges Display, welches im Lenkrad integriert wurde. Über einen I2C-Bus wurde der eigens angefertigte Schaltblitz angeschlossen.  Zusätzlich wurde dieses mit einer 7-Segment-Anzeige für die Ganganzeige erweitert. Über einen Taster konnten die Helligkeit des Displays und des Schaltblitzes verändert werden.

Die Module für die Live-Telemetrie und Getriebesteuerung wurden überarbeitet um somit den benötigten Platzbedarf zu minimieren.

Eine neu gestaltete Telemetrieoberfläche für den Laptop erleichterte die Überwachung des Fahrzeug deutlich und stellte zahlreiche Fahrzeugdaten bereit.

Auch in diesem Jahr kam ein Datenlogger der neuesten Generation von Bosch Motorsport mit u.a. zwei frei programmierbaren CAN-Interfaces sowie 6 Analogeingängen zum Einsatz.

Um das Datenlogging zu erweitern, wurden zusätzlich zahlreiche Sensoren im Fahrzeug verbaut wie z.B. Sensoren für den Federweg, Bremsdrucksensoren, Laptrigger und Lenkwinkelsensor.

Aufgrund des fehlenden ABS konnten wir auch bei der Batterie 300g Gewicht sparen. Die Kapazität der Batterie wurden von 6,9Ah auf 4,6Ah verringert. Zum Einsatz kam wieder eine LIFEPO4 Batterie. Diese wurde aufgrund ihrer hohen Energiedichte gewählt.

Fahrwerk - TOMSOI V

Konzept und Kinematik

Das Fahrwerk unseres TOMSOI V besteht auch in dieser Saison wieder aus den bewährten Doppeldreiecksquerlenkerachsen. Der Radstand beträgt mit 1550 mm und die Spurweiten 1200 / 1150 mm und wurden von unserem letzten Boliden TOMSOI IV übernommen.

Ein wichtiges Ziel war die Absenkung des Fahrzeugschwerpunkts. Hierzu wurde unter anderem die Position der Stoßdämpfer modifiziert und der Motor tiefer im Fahrzeug platziert. Die Federn an der Hinterachse werden von Druckstäben betätigt und an der unteren Motorhalterung befestigt. Die Stoßdämpfer an der Vorderachse sind seitlich positioniert und werden weiterhin mit der etablierten Druckstabtechnik angesteuert.

Als Folge des tiefer sitzenden Motors wurde die Kinematik des Fahrwerks überarbeitet. An beiden Achsen sind die Rollzentren abgesenkt und somit konnte ein größerer Sturzgewinn beim Einfedern realisiert werden. Die größeren Sturzwerte ermöglichen dem Rennfahrzeug deutlich höhere Kurvengeschwindigkeiten auf den Rennstrecken, was jedoch geringe Einbußen des Beschleunigungs- und Bremspotentials verursacht.

Konstruktion

Das Fahrwerk unseres TOMSOI V besteht auch in dieser Saison wieder aus den bewährten Doppeldreiecksquerlenkerachsen. Der Radstand beträgt mit 1550 mm und die Spurweiten 1200 / 1150 mm und wurden von unserem letzten Boliden TOMSOI IV übernommen.

Ein wichtiges Ziel war die Absenkung des Fahrzeugschwerpunkts. Hierzu wurde unter anderem die Position der Stoßdämpfer modifiziert und der Motor tiefer im Fahrzeug platziert. Die Federn an der Hinterachse werden von Druckstäben betätigt und an der unteren Motorhalterung befestigt. Die Stoßdämpfer an der Vorderachse sind seitlich positioniert und werden weiterhin mit der etablierten Druckstabtechnik angesteuert.

Als Folge des tiefer sitzenden Motors wurde die Kinematik des Fahrwerks überarbeitet. An beiden Achsen sind die Rollzentren abgesenkt und somit konnte ein größerer Sturzgewinn beim Einfedern realisiert werden. Die größeren Sturzwerte ermöglichen dem Rennfahrzeug deutlich höhere Kurvengeschwindigkeiten auf den Rennstrecken, was jedoch geringe Einbußen des Beschleunigungs- und Bremspotentials verursacht.

Karosserie - TOMSOI V

 

Wie auch in den Jahren zuvor begann die Konstruktion unserer Karosserie mit den Grundüberlegungen, in wie fern diese zum Vorjahr in ihren einzelnen Elementen evtl. abgeändert werden sollte.

Da unser Grundkonzept für den TOMSOI V ein Rennfahrzeug für den puren Fahrgenuss darstellt, das nur die dafür wichtigsten Baugruppen besitzt, wandten wir dieses Konzept ebenfalls bei der Karosserie an. Aus diesem Grund wurde das Design unseres fünften Rennboliden um einiges abgespeckt.

Für das Design unserer Karosserie verwendeten wir, wie bisher auch, ein 3D-Computergraphik- und Animationsprogramm, mit dem wir, nach dem Einfügen des Rahmens und sonstiger gestaltbestimmender Baugruppen, die Außenhaut formschlüssig anpassen konnten.

Unsere Karosserie erhielt nicht mehr das sonst übliche, symmetrische Erscheinungsbild. So fielen die beiden Seitenkästen zugunsten nur eines kleinen, speziell angepassten Kühlkanals weg und der Endtopf der Abgasanlage bekam lediglich eine Abdeckung zum Schutz vor Berührungen. Die Gestalt der Haube wurde ähnlich wie im Vorjahr beibehalten, nur die aerodynamische Form wurde etwas markanter ausgeprägt und die Frontparty wurde, wegen der in diesem Jahr verwendeten Standard-Crashbox, in ihrer Form dementsprechend angepasst. Außerdem ist die gesamte Karosserie kürzer geworden und endet ungefähr auf Höhe des Mainhoops, um vorbeugend Hitzeprobleme des Motors durch unnötige Verbauung vorzubeugen.

Da Aerodynamik in der Formula Student mittlerweile einen immer größer werdenden Stellenwert bekommt, wurde von uns ein Unterbodendiffusor ausgelegt, der  aus Versuchszwecken zweiteilig herstellt wurde. Ein Frontteil, das zum Schutz des Fahrers fest am Fahrzeug befestigt ist und bis zum Mainhoop reicht, und die Heckparty mit dem markanten Diffusor, die wahlweise am vorderen Teil des Unterbodens und Rahmen befestigt werden kann.

Letztendlich besteht die Karosserie aus sechs Elementen:

den beiden Seitenflanken, einer Haube, dem Kühlkanal und dem zweiteiligen Unterboden mit Diffusor.

Bei der Herstellung der Karosserie erhielten wir auch in diesem Jahr wieder tatkräftige Unterstützung durch die Firma Kessler Modellbau aus Memmingen, die uns hierfür die Laminierformen fertigte.

Um eine möglichst leichte Karosserie zu bekommen, verwendeten wir bei allen Elementen bewusst das Infiltrationsverfahren und fertigten diese in einem zweilagigen Aufbau. Diese zwei Lagen bestehen aus einem normalen Carbon-Gewebe als innere Strukturlage und einem grobmaschigen Oxeon-Gewebe als Sichtlage, die durch die hochwertige Lackierung durch die Lackiererei Keller Profi-Lack GmbH voll zur Geltung kommt.

Der Unterboden des TOMSOI V wurde in Sandwich-Bauweise realisiert, der mit Hilfe von Aramid-Waben als Kernmaterial, eine sehr hohe Steifigkeit bekommt und für seine Größe dennoch sehr leicht ist.

 

Motor - TOMSOI V

Für den TOMSOI V wurde der altbewährte Yamaha R6 Rj-05 Motor verwendet, welcher durch seine Herkunft aus einem reinrassigen Supersportler schon für extrem hohe Ansprüche entwickelt wurde. Dabei spielen die relativ hohe Verdichtung, hohe Drehzahlbeständigkeit und die thermische Belastbarkeit eine große Rolle.

Dieses Jahr haben wir unser Augenmerk darauf gelegt den Motor standhafter, fahrbarer und sparsamer zu gestalten. Dabei wurden alte „Baustellen“ abgearbeitet und neue Ideen umgesetzt.

Da wir die 600ccm, dank des Formula Student Reglements, durch einen mit 20mm Querschnitt dünnen Airrestrictor atmen lassen müssen, sind wir zu massiven Änderungen im Ansaug- und Abgasbereich gezwungen. Dank diversen Projekt- und Diplomarbeiten auf diesem Gebiet konnten wir in den vergangenen Jahren schon sehr viel Erfahrung über unseren Motor sammeln. So existiert eine eigene komplexe Simulation, welche die Längen des Ansaugtrakts und der Abgasanlage bestimmen kann. So wurde dieses Jahr der Krümmer, sowie der Endtopf auf diese Simulation angepasst. Dabei wurde Wert gelegt, die Erfahrungen mit der vereinfachten Fertigung mit CNC gebogenen extra dünnwandigen Rohren weiterzuführen.

Dagegen wurde die Saugseite komplett im Design verändert. Für die vereinfachte Fertigung, wurde die Drosselklappe der Firma AT-Power verwendet, welche bei mehreren Formula Student Teams bereits Usus ist. Der Airboxkörper wurde dahin verändert, dass durch die nach hinten unten gedrehte Saugrichtung der Schwerpunkt des Fahrzeugs gesenkt werden konnte. Die Längen der Saugrohre wurden so gewählt, dass eine ordentliche Leistung von 85 PS erreicht werden konnte, aber auch ein sattes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich vorhanden ist. Dabei wurde die Airbox CFD Simuliert, um die unterschiedlichen Füllgrade der Zylinder zu optimieren und in diesem Sinne wurde eine Leitrippe hineinkonstruiert. So ist zu erwähnen, dass ein neues Fertigungsverfahren gewählt werden musste. Der obere Teil mit Diffusor und der untere Teil mit Saugrohrtrompeten und Saugrohren bestehen nun aus lasergesintertem Kunststoff.

Eine andere Baustelle war das Problem mit dem induktiven Kurbelwellensensor, welcher ab und an Ausstieg und dadurch den Motor nicht hoch genug drehen bzw. gar nicht erst anspringen ließ. So sind wir von induktivem auf Hall-Sensor umgestiegen. Dafür musste ein neues Geberrad und Gehäuse konstruiert werden.

Dies alles wurde im Frühjahr auf dem hochschuleigenen Motorenprüfstand aufeinander abgestimmt. Dabei haben wir eine Verbrauchsmessung der Yamaha Einspritzdüsen unternommen und die Kraftstoffberechnung im Steuergerät komplettiert. Bei der Applikation des Motors legten wir größten Wert auf die anschließende Fahrbarkeit, sprich die Drehmomentkurve wurde begradigt. Allerdings haben wir die Haltbarkeit und den Verbrauch nicht aus den Augen verloren. Dabei wurden frühe, aber sichere Zündzeitpunkte und möglichst hohe, aber motorschonende Lambdawerte herausgefahren.

Um die dynamischen Aspekte nicht zu vergessen, wurde ein eigens entwickelter zweiter Gang verbaut, um über das große Drehmomentloch in der Beschleunigungsphase hinweg zu kommen. Damit der Motor auch immer gut geschmiert bleibt und uns Daten aus den letzten Jahren deutlich zeigten, dass das nicht immer vorkam, wurde der Nasssumpf wieder verändert. Die Ölwanne konnte, da der Motor leicht nach hinten geneigt wurde, fertigungsoptimiert konstruiert werden. Der originale Ölschnorchel wurde optimiert, um einen ausreichenden Puffer für die Ölversorgung gewährleisten zu können. Desweiteren wurden die Schwallbleche neu angeordnet.