Tomsoi II

Allgemeines

  • Leistung: 78 PS am Getriebeausgang im Drehzahlbereich von 9000 1/min – 13800 1/min
  • Drehmoment: 56 Nm (9000 1/min)
  • Gewicht: 270 kg
  • Beschleunigung 0 – 100km/h: 3,8s
  • Eventteilnahmen: Formula Student Spain, Formula Student East, Formula Student Italy

Drivetrain

  • Kettentrieb
  • Drexler Lamellensperrdifferential
  • Pneumatische Schaltung (6-Gang mit Zündunterbrechung)

Als Primärübersetzung fungiert das im Yamaha R6 Motor eingebaute sequentielle Getriebe. Die Schaltung erfolgt dabei mittels eines pneumatischen Systems und wird über Schaltwippen am Lenkrad betätigt. Onboard-Kompressoren sorgen dafür, dass der Druck im System jederzeit während der Fahrt aufrechterhalten werden kann.

Über einen Kettentrieb wird die Kraft auf das Differential und somit zur Hinterachse geleitet. Durch die Übersetzung des Kettentriebs wird zudem die Gesamtübersetzung auf die Motorcharakteristik und die typische Streckenführung der Formula Student Parcours abgestimmt.

Das Differentialgetriebe kommt von Drexler und wurde eigens für Formula Student konstruiert und gefertigt. Über Antriebswellen aus einem Ford Fiesta ermöglicht das Differential somit eine Verteilung der Antriebskraft auf die Hinterräder. Bei Federbewegungen des Fahrwerks verändern sich sowohl der Winkel, als auch der Abstand zwischen Differentialgetriebe und Radnabe. Um diese Federbewegungen des Fahrzeugs auszugleichen, wurden entsprechende Gleichlaufverschiebegelenke mit Kugellagerung verbaut.

Chassis

  • Stahl- Gitterrohrrahmen
  • Karosserie aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, Infiltrationsverfahren

Auf Grundlage unserer gewonnen Erkenntnisse und Erfahrungen während der Konstruktions- und Fertigungsphase des Gitterrohrrahmens von TOMSOI I, wurde der Rahmen für TOMSOI II direkt im CAD entwickelt und konstruiert. Für das zentrale Sicherheitsbauteil unserer Rennwägen entschieden wir uns abermals für eine bewährte Gitterrohrrahmen-Konstruktion. Das Gesamtgewicht des Gitterrohrrahmens beträgt 35 kg. Fahrwerksanbindungen, Dämpferabstützungen, Motorhalterungen und diverse weitere Halter und Laschen wurden nachträglich angebracht. Für die Auslegung der Torsionssteifigkeit wurde mittels der Finiten Element Methode ein Balkenmodell erstellt, welches flexibel abänderbar ist und eine geringe Rechenzeit erfordert. Die Torsionssteifigkeit des Rahmens liegt bei einem Wert von 1.600 Nm/grad.

Elektronik & Informatik

  • Multifunktionslenkrad mit Ganganzeige und Schaltblitz
  • Echtzeit-Telemetriedatenübertragung
  • Launch Control

In Zusammenarbeit mit der Fakultät Informatik wurde für den Rennwagen der Saison 2010 eine Projektarbeit „Data processing for Formula Cars“ realisiert, welche ein komplettes System zur Erfassung, Analyse, Übertragung und Auswertung der vom Motorsteuergerät gelieferten CAN-Daten beinhaltet.

Das Herzstück des Systems bildet die DLU (DataLoggingUnit), welche für die Speicherung und Weiterverteilen der Messdaten des Motorsteuergeräts zuständig ist. Ein Olimex LPC-E2468 µC Linux Development Board mit ARM7-Core und dem Betriebssystem FreeRTOS sorgt für ausreichend Rechenleistung. Das Development Board ist mit einer Vielzahl von Schnittstellen, wie z.B. USB, 100MBit Ethernet, I2C, SPI, RS232 ausgerüstet, bietet 128MB on-board NAND-Flash und ist mit SD/MMC-Karten erweiterbar.

Zur Adaptierung des internen- und Steuergeräte-CAN-Bus wurde das Tochterboard TEB (TransceiverExtensionBoard) für die DLU entwickelt, welches die zwei CAN-Treiber, einen 3D-Beschleunigungssensor, sowie ein Funkmodul vom Typ WIMOD der Firma IMST zur Bereitstellung des Telemetrie-Link enthält.

Der Zweck des GSB (GearShiftBoard) ist die Auswertung der elektronischen Schaltbefehle am Lenkrad. Über Bestromung von Magentventilen wird der Gangwechsel durch Pneumatikzylinder ausgelöst, sowie die Kupplung betätigt. Das GSB beherbergt einen LPC2129 von NXP mit einer entsprechend störfesten Außenbeschaltung und Logic-Level MOSFETs. Die Gültigkeit eines Schaltbefehls wird zuerst mit den CAN-Daten des Steuergeräts geprüft und ist erst mit Erreichen der Endschalter am Pneumatikzylinder erfolgreich beendet.

Das mittig im Lenkrad untergebrachte 4.1“ TFT-Farbdisplay (320x240pixel) von Simplify Technologies dient als Datenmonitor. Es wird von einem eigenen Microchip PIC32 Controller angesteuert, welcher die CAN-Daten verarbeitet und Reaktionen auf Benutzereingaben steuert.

Die PC-Applikation ICAr (Infinity Car Analyzer) zur Auswertung der Telemetriedaten wurde mittels LabView-Anzeigeelementen realisiert. Der Anwender kann dabei die Graphen individuell konfigurieren und auch bereits aufgezeichnete Werte im CSV-Format importieren.

Suspension

  • Doppelte, ungleichlange Dreiecksquerlenker
  • Vorne und hinten über Pullrods betätigte Sachs Federdämpfereinheit
  • Radstand: 1650mm
  • Spurbreite: vorne / hinten 1280 / 1230

Konzept und Kinematik

Als Grundlage der Fahrwerkskonstruktion diente das Fahrwerk des TOMSOI I und die daraus gewonnenen Erfahrungswerte. Anhand dieser Daten sowie den Vorgaben im Reglement konnte die Kinematik des Fahrwerks ermittelt und bestimmt werden. Die größten Änderungen waren eine Verringerung des Radstandes auf 1650mm und eine kürzere Spurweite von 1280mm Vorder- bzw. 1230mm an der Hinterachse. Die geringe Spurweite an der hinteren Achse vermeidet ein unbeabsichtigtes Überfahren von Pylonen im Rennen, welches mit hohen Zeitstrafen geahndet wird. Der Achstyp (Doppel Dreiecksquerlenker) wurde vom ersten Fahrzeug übernommen, jedoch in entscheidenden Punkten wie beispielsweise der Rollzentrumshöhe, Nachlauf und Spreizungswinkel überarbeitet.
Nachdem die geometrischen Eckdaten der wichtigen Gelenkpunkte mit Hilfe von „Pro Engineer“ konstruiert waren, wurden die Übersetzungsverhältnisse von Rad zu Dämpfer mit dem Getriebeprogramm „SAM“ bestimmt. Anschließend wurden alle Koordinatenpunkte aus der Konstruktion in das Fahrdynamiksimulationsprogramm übertragen und virtuelle Modelle von Vorder- und Hinterachse erstellt. Danach wurden Fahrstrecken und Fahrmanöver festgelegt und das Fahrzeug getestet. Die jeweiligen Einstellungen des Setups des Fahrzeugs, bestehend aus Feder- Dämpferparameter, Sturzwinkel, etc. wurden nach der Simulationsdurchführung entsprechend den Ergebnissen verändert. So konnten Schritt für Schritt die optimalen Einstellungen gefunden werden.

Konstruktion

Die gute Erfahrung mit den den Stoßdämpfern aus dem Hause Sachs haben uns dazu veranlasst dieses System wieder in der Saision 2010 einzusetzen. Die unabhängig voneinander in Zug- und Druckstufe verstellbaren Dämpfer, lassen eine perfekte Abstimmung bei den verschiedensten Bedingungen zu.
Die Betätigung der Dämpfer erfolgt wieder an beiden Achsen über einen Pullrod (Zugstab), welcher die Fahrkräfte über einen hart gelöteten Umlenkhebel in die Feder leitet. Konzeptionell lassen sich die Dämpfer bei diesem System tief im Chassis platzieren, was dem Schwerpunkt zu Gute kommt. Zusätzlich sorgt diese Konstruktion für eine gleichmäßigere Belastung der oberen und unteren Querlenker.
Die Querlenker und Spurstangen wurden als einfache Schweißkonstruktion ausgelegt, um dadurch ca. 40% Gewicht gegenüber TOMSOI I einzusparen. Um ein Ausschlagen der Gelenklager zu verhindern, wurde auf qualitativ hochwertige Motorsportlager von Hirschmann zurückgegriffen.

Für die Lagerung der Radnabe im Radträger wurde auf Schrägkugellager in O-Anordnung zurückgegriffen, welche durch den größeren wirksamen Lagerabstand die Axialsteifigkeit erhöhen. Die Nabe sowie der Radträger wurden aus hochfestem Aluminium (7075-T6) gefräst. Dieses Material zeichnet sich durch gute Zerspanbarkeit, einer hohen Festigkeit und der geringen Dichte von Aluminium aus.
Die Sturzverstellung erfolgt beim TOMSOI II erstmals über Shims (Abstandsplatten), was im Gegensatz zur stufenlosen Verstellung ein reproduzierbares Fahrzeugsetup erlaubt. Über mehrere Bohrungen im Lenkhebel lassen sich verschiedene Lenkgeometrien einstellen.

Das Gewicht des Radträgers selbst wurde durch eine Topologieoptimierung um ca. 25% reduziert.

Karosserie

Design und Modellierung

Die Entwicklung der Karosserie für unseren zweiten Rennwagen TOMSOI II wurde innerhalb eines kooperativen Studienprojektes realisiert. Tatkräftige Unterstützung hinsichtlich dem Design und der Gestaltung der Außenhautform erhielten wir in enger Zusammenarbeit mit einem externen Design- und Konstruktionsbüro „Vanetta design & engineering“. Das Vorhaben, schon zu Beginn der Entwicklungsphase, ein möglichst vollständiges CAD-Package mit den wichtigsten Komponenten des Fahrzeuges zu erstellen, und stetig zu erweitern, ist uns beim zweiten Fahrzeug TOMSOI II hervorragend gelungen. So konnte man sich schon sehr früh, aufgrund des digitalen Mock-Up, ein Gesamtbild vom Fahrzeug und den entsprechenden Abmaßen machen. Die Bauraumauslegung und Ergonomie wurde in Zusammenarbeit mit den technischen Ressorts eingehend analysiert und frühzeitig festgelegt. Auf diese Weise wurde der zur Verfügung stehende Bauraum optimal ausgenutzt und eine kompakte Gesamtkonstruktion des Rennwagens realisiert. Die ganzheitliche Prozesskette, vom Lastenheft über das Package und die Designidee, bis hin zu den gefrästen Laminierformen der späteren Faserverbundbauteile, wurde im Vorfeld abgesteckt. Um im Renneinsatz und während Montagezwecken ein rasches und unkompliziertes Montieren und Demontieren der Karosserie gewährleisten zu können, wurde von Beginn an aus technischer und gestalterischer Sicht bedacht, dass das Hauptsegment der Karosserie, welches an einem Stück von der Spitze bis zum Heckabschluss des Rennwagens reichen soll, an einem Stück nach oben abnehmbar ist. In diesem Zusammenhang wurde ebenfalls sorgfältig berücksichtigt, einen separaten Unterboden in das Flächendesign der Außenhaut bestmöglich zu integrieren.

Konstruktion

Schon während der Design- und Modellierungsphase wurde die Karosserie im CAD in verschiedene Segmente unterteilt, wobei man entsprechende Fertigungsmöglichkeiten und den Formenbau stets berücksichtigte.
Nachdem die Modellierung der Designflächen abgeschlossen war wurde das Flächenmodell in die zuvor konzipierten Karosserie-Segmente aufgetrennt und die erforderlichen Teilungen festgelegt. Diverse Anbauteile im Bereich der Seitenkastenpartie, wie z.B. Kiemen und Rippen, wurden in den Formenbau fortan mit einbezogen. Ebenfalls musste ein Fertigungskonzept für die separat montierbare Frontscheibe aus „Plexiglas“ erarbeitet werden.
Um eine möglichst endkonturnahe Formgebung auch komplizierterer Karosseriebereiche gewährleisten zu können, entschieden wir uns, wie auch die beiden Jahre zuvor, für das im Modell- und Prototypenbau bekannte Kunststoff-Blockmaterial (Ureol) und für einen formenbaugeeigneten PU-Hartschaum, welcher ebenfalls in Blockware lieferbar ist. Auf Grundlage der Karosseriekonstruktion wurden die Negativformen der unterschiedlichen Segmente ebenso virtuell im CAD konstruiert, die Formrohlinge aus Kunststoffblockmaterial und PU-Hartschaum nach zuvor sorgfältig erstellten Verklebe- und Aufbauplänen verklebt, und im Anschluss auf CNC-Fräszentren gefräst.

Formenbau und Fertigung

Speziell im Prototypenbau und bei geringeren Stückzahlen sind, aufgrund der umfassenden Designfreiheit der Bauteile, nach wie vor das klassische Handlaminieren mit anschließendem Vakuumpressen, und das Infiltrationsverfahren, weit verbreitet. Des Weiteren halten sich die Werkzeug- und Materialkosten in Grenzen. Für die Fertigung unserer Karosserie-Außenhaut, des Unterbodens und des Lenkrades, entschieden wir uns erstmalig für das Infiltrationsverfahren, während wir für die anderen Bauteile (Hutze aus Sicht-Carbon, Seitenkasten-Innenelemente und Ansaugsystem sowie Airbox) das Handlaminierverfahren mit anschließendem Vakuumpressen bevorzugten.

Motor

  • Yamaha R6 DOHC Reihenvierzylinder RJ05
  • Hubraum: 600 Kubikzentimeter
  • Motorsteuerung: Bosch MS4 Sport

Wie bereits bei den vorgehenden Fahrzeugen dient der Yamaha R6 Motor als Basis unserer Antriebseinheit. Für Tomsoi II wurde das gesamte Ansaug- & Abgassystem von Grund auf neu ausgelegt.
Im Ansaugsystem wurde die Drosselklappe hinsichtlich besserer Fahrbarkeit progressiv umgesetzt. Zudem konnte die Drosselklappe entscheidend gewichtsoptimiert werden, beispielsweise durch eine einteilige Drosselwelle.

Als weitere Komponenten wurden der Diffusor und die Airbox strömungstechnisch berechnet und simuliert, um somit einen optimalen Kompromiss zwischen Leistung und Fahrbarkeit zu erzielen. So wirkt sich eine zu große Airbox leistungssteigernd, jedoch träge im Ansprechverhalten aus. Ein zu klein dimensionierter Luftsammler hat zwar eine agilere Gasannahme jedoch unter hoher Last auch eine geringere Leistung.
Als wichtigster Punkt im Ansaugsystem wurden die Schwingrohre hinsichtlich Länge und Öffnungsgeometrie optimiert. Mit den Schwingrohren wird der Drehmomentverlauf durch die Nutzung von Druckschwingungensresonanzen verbessert, was zu einer Selbstaufladung des Zylinders führt. Konstruktiv wurde ein einfaches Stecksystem realisiert.

Unter Berücksichtigung eines geringen Bauraums wurde des Weiteren das Abgassystem nahe an den Schwerpunkt konstruiert. Zusätzlich wurde die Abgaszusammenführung von einer 4 in 1 zu einer 4-2-1 Zusammenführung geändert, um auch hier die Druckwellenschwingungen optimal für das Drehmoment zu nutzen. Außerdem konnte der Endschalldämpfer nach Berechnung sowie Messung zur Gewichtseinsparung, um eine Kammer auf einen 2 Kammern-Dämpfer verkürzt werden.

Der Motor ist mit rund 60 kg (trocken) das schwerste Bauteil des Fahrzeugs, was sich deutlich auf die Lage des Schwerpunkts auswirkt. Um diesen herabzusetzen wurde eine neue Ölwanne entwickelt, die die Einbauhöhe des Motors um mehr als 30 mm verringert und somit den Schwerpunkt deutlich senkt.