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Dokumentation zur Projektarbeit
Dokumentation zur Projektarbeit
Entwicklung eines Leichtbau Pedalsystems
aus CFK für den Rennsport
Referent: Grünberger Ando
Klasse 2MbV Schuljahr 2012/2013
In Zusammenarbeit mit
Technikerschule Ingolstadt H2F Engineering
Dokumentation zur Projektarbeit
Inhaltsverzeichnis
1. Aufgabenstellung 3
1.1 Projektthema 3
1.2 Projektdaten 3
2. Einleitung 4
2.1 Das beteiligte Unternehmen 4
2.2 Allgemeines zum Projekt 4
2.3 Vergleich von hängendem und stehendem Pedalsystem
2.4 Konkurrenzprodukte
2.5 Umbau von hängendem zu stehendem Pedalsystem
2.6 Forderungen des Kunden 6
2.7 Vorgehensweise 7
3. Planungsphase 8
3.1 Zeitplan 8
3.2 Black-Box-Darstellung 9
3.3 Vorstellung der beiden Varianten 10
3.3.1 Variante „Dallara“ 10
3.3.2 Variante „L-Grundplatte“ 10
3.4 Morphologischer Kasten 11
4. Konstruktionsphase 12
4.1 Entscheidung zur Form 12
4.2 Konstruktion mit Berechnungen 12
4.2.1 Konzept Waagebalkensystem
4.2.2 Konzept Grundplatte
4.2.3 Konzept Bremspedal
4.2.4 Konzept Kupplungspedal
4.2.5 Konzept Gaspedal
4.3 Aufbereiten der CAD Daten in einer Stückliste
5. Projektabschluss
6. Anlagen
7. Literatur
8. Quellenverzeichnis
9. Erklärung
Dokumentation zur Projektarbeit
Dokumentation zur Projektarbeit
Aufgabenstellung 3
1 Aufgabenstellung
1.1 Projektthema
Entwicklung eines Leichtbau Pedalsystems aus Verbundwerkstoffen für den
Automobilrennsport
1.2 Projektdaten
Diese Projektarbeit wurde in dem Zeitraum vom August 2012 bis zum Januar 2013 im
Rahmen meiner Weiterbildung zum Staatlich geprüften Maschinenbautechniker an der
TSIN Ingolstadt erstellt.
Der Zeitaufwand für das Projekt inkl. Ausarbeitung beläuft sich auf ca. 300 Stunden
Die Umsetzung wurde in Zusammenarbeit mit der Technikerschule Ingolstadt und der
Firma H2F-Engineering durchgeführt.
Projektbetreuer
Herr Karl Hartl Herr Dipl. Ing. Hartmann Marc Technikerschule der Stadt Ingolstadt H2F- Engineering Adolf-Kolping-Straße 11 Daimlerstraße 12 85051 Ingolstadt 85080 Gaimersheim Termine der Projektarbeit
Projektstart 27.August 2012 Termin der ersten Präsentation 22.November2012 Abgabe der Dokumentation Termin der Abschlusspräsentation
Dokumentation zur Projektarbeit
Einleitung 4 2 Einleitung
2.1 Das beteiligte Unternehmen Es ist ein mittelständisches Unternehmen mit dem Sitz in Gaimersheim für Engineering CAD /CAE und in Wadmünchen für Prototypen, Messtechnik und Fahrdynamik. Gesamtfahrzeugentwicklung
Desingumsetzung
Fahrdynamik, Suspension System
Baugruppenentwicklung (Prototypen bis Kleinserien)
Fahrzeugstrukturen Leichtbau, Alternative Werkstoffe
Bauteilauslegung
Werkzeugkonstruktion und Entwicklung Motorsportkomponenten
Ölhandlingsysteme
Kraftstoffsysteme
Bremsbelüftung Zu den Kunden zählen die Gumpert Sportwagenmanufaktur, Audi, BMW und viele mehr.
2.2 Allgemeines zum Projekt Pedalsysteme dienen dem Steuern des Wagens (Bremsen, Beschleunigen) sowie dem Kuppeln. Dies erfordert eine steife Auslegung des Systems, um den Fahrer ein direktes Gefühl für die Pedale zu geben. Ein zu weich ausgelegtes System erzeugt ein schwammiges Verhalten. Speziell das Bremspedal muss stabil ausgelegt werden. Es wird in Extremfällen mit 2000N bis 4000N belastet und soll diesen auch Stand halten. Kupplung und Bremse werden in der Regel hydraulisch über Geberzylinder betätigt. Diese werden direkt an das Pedal angebunden. Die Lage der Anbindungspunkte und die Länge der Pedale
ergeben ein Übersetzungsverhältnis was im Bereich von 4,5 bis 6,2 liegt. In Ausnahmefällen sind auch Werte von 3 bis 6,5 möglich.
Quelle: H2F Engineering
Abb. Aktuelles Pedalsystem
im Gumpert Apollo
Dokumentation zur Projektarbeit
Einleitung Bei einigen am Markt erhältlichen Modellen (z.B. Tilton) ist das Übersetzungsverhältnis über verschiedene Anbindungspunkte des Geberzylinders einstellbar. Durch feststehende Geberzylinder ändert sich der Wert der wirksamen Pedalkraft ständig. Es ist darauf zu achten das man über den gesamten Pedalweg einen progressiven Kraftanstieg hat. Ein degressives Verhalten ist dringend zu vermeiden, da sich dabei für den Fahrer ein störendes Gefühl einstellt. „Je mehr der Fahrer auf das Pedal tritt, desto weicher fühlt sich der Widerstand an.“ (M. Trzesniowski, Rennwagentechnik, 2. Auflage, S. 111). Erst recht ist ein Umkehrpunkt zwischen beiden Verhalten zu vermeiden! Am Bremspedal wird häufig ein Waagebalken mit 2 separaten Geberzylindern eingesetzt über welchen man die Bremskraftverteilung stufenlos regeln kann. Über das Gaspedal wird der Wagen entweder elektronisch oder über einen Gaszug beschleunigt. In unserem Pedalsystem beschränken wir uns auf eine Betätigung über einen Gaszug. Dieser wird entweder über einen seitlich am Pedal angebrachten Bolzen (bei Fahrzeugen mit Heckmotor) oder über einen separaten Umlenkhebel (Fahrzeuge mit Frontmotor) angelenkt. Weiterhin sollte eine Rückstellfeder angebracht sein damit beim loslassen des Pedals auch das Gas sicher zurück genommen wird und für den Fahrer eine gewisse Widerstandskraft zu spüren ist. Die Höhe der Kraft hängt von den Vorlieben des Fahrers ab. Bei manchen Modellen kann ein zusätzlicher Bügel montiert werden, um das Pedal damit aktiv zurückziehen zu können. Die Pedalstellung hängt grundlegend von der Fahrerposition und der Ergonomie ab. Demnach sollte die Höhe der Pedalplatte über dem Fersenaufsetzpunkt (Boden – Mitte Pedalplatte) etwa 203mm betragen. Die Winkelstellung der Pedale gegenüber dem Boden hängt auch von der Sitzhöhe ab. Demnach sollte der Winkel zwischen Fußsohle und Unterschenkel des Fahrers in der unbetätigten Pedalposition min. 87° betragen und mit betätigen des Pedals größer werden. Bei stehenden Systemen sollte ein Fersenanschlag vorgesehen werden damit ein definierter Winkel erreicht werden kann. Die Pedalwege sind so auszulegen dass der Fahrer die Pedale problemlos bis zum Anschlag durchtreten kann. Gute Werte liegen zwischen 20 bis 100mm. Während Kupplungs- und Bremspedal wie oben beschrieben ausgerichtet werden, sollte das Gaspedal etwas nach vorne versetzt werden, so dass es auf Höhe der betätigten Bremse liegt. Dies ermöglicht dem Fahrer beim Bremsen und herunterschalten entweder mit dem Außenrist oder mit der Hacke-Spitze-Technik Gas zugeben. Für zweiteres ist es von Vorteil, wenn das Gaspedal weiter nach unten reicht als das Bremspedal. Der seitliche Abstand (Mitte Pedalplatte – Mitte Pedalplatte) liegt üblicherweise im Bereich von 100 bis 120mm. Damit der Fahrer nicht versehentlich von den Pedalen abrutschen kann, werden diese mit seitlichen Anschlagplatten und/oder einer rutschfesten Oberfläche versehen. Da jedes Fahrzeug etwas andere Einbaubedingungen, Sitzpositionen und erst recht jeder Fahrer seine eigenen Vorlieben bei der Pedalstellung hat, können verschiedene Einstellmöglichkeiten vorgesehen werden.
Dokumentation zur Projektarbeit
Einleitung 6 Der Abstand zum Sitz wird meist noch über verschiedene Anschraubpunkte eingestellt. Weitere Einstellmöglichkeiten sind der Pedalwinkel, die Position der Pedalplatten und das Übersetzungsverhältnis. Vergleich von hängendem und stehendem Pedalsystem
Hängendes
Pedalsystem
Stehendes
Pedalsystem
Befestigungsmöglichkeiten Über Rückseite
(Schottwand)
Auf 2 Längsträgern
aufgesetzt
(Möglichkeit des
einfachen
Anpassens an den
Abstand zum Sitz)
Nach oben
Mit Bodenplatte
verschraubt oder
verschweißt
Pedalposition
- Gesamtlänge des Pedals
(Drehpunkt-Ende
Pedalplatte)
(256mm)/260mm
bis 305mm
255mm bis
265mm/(270mm)
- Länge Drehpunkt-Mitte
Pedalplatte
230mm bis
275mm/(280mm)
200mm bis 230mm
Stehende Pedale sind gegenüber einem
hängendem System kürzer und haben größere
Pedalplatten, was die effektive Hebellänge weiter
herabsetzt
- Lage des Drehpunkts
gegenüber Pedalplatte
Etwa 100mm nach
vorne (Rtg.
Fahrzeugfront)
versetzt
Meist 0 bis 30mm
in wenigen Fällen
bis 50mm nach
vorne versetzt.
- Winkel der Pedalplatten
gegenüber Fahrzeugboden
Ca. 20 – 30°
Neigung nach vorne
gegenüber der
Senkrechten
Nahezu senkrecht
(bei Modellen mit
weit nach vorne
versetzten
Drehpunkt leichte
Neigung nach
hinten)
Eine zu steil
angebrachte
Pedalplatte stellt
sich beim treten
des Pedals immer
Beim treten des
Pedals neigt sich die
Pedalplatte nach
vorne, somit kann
der Fuß auf der
Quelle: H2F Engineering
Abb. Zeigt das bestehende
Pedalsystem
Dokumentation zur Projektarbeit
aufrechter, so dass
der Fahrer nur noch
auf die Oberkante
des Pedals treten
kann
gesamt Fläche
aufliegen
Übersetzung bei Brems- und
Kupplungspedal
(3,0) 4,7 – 6,2 (6,5)
Weitere wichtige Punkte Bei langen Fahrten
oft das Ermüden
des Gasfußes
Fersenanschlag ist
vorteilhaft
Bei einem Unfall
sicherer, da diese
nach vorne
weggezogen
werden können.
Stehende Systeme
stellen sich gegen
die Beine auf, was
zu Knochenbrüchen
führen kann.
Vorteil des tieferen
Schwerpunkts, da
Geberzylinder und
Lagerpunkte tief im
Fahrzeug liegen
Ergebnis: Für ein universell einsetzbares Pedalsystem müssen vor allem bei Punkten
der Pedalstellung variable Anschraubmöglichkeiten vorhanden sein. Ein
Kompromiss aus den Werten beider Systeme ist nicht sinnvoll, da man in
diesem Fall jeweils nur die Extremwerte beider Systeme nutzen könnte.
Dies wird in den meisten Fällen nicht zu optimalen Bedingungen für den
Fahrer führen.
Aktuelle Werte bei eigenem Pedalsystem (Stand 29.10.12):
Gesamtlänge: 311mm
Pedallänge Drehpunkt-Mitte Pedalplatte: 270mm
Übersetzung: 6,47 an Bremse; 6,59 an Kupplung !
Dokumentation zur Projektarbeit
Einleitung
Konkurrenzprodukte
AP-Racing CP5507-19
Spezifikationen:
- Hängendes System
- Übersetzungsverhältnis 6:1
- Pedallänge: 275mm
- Ausführung mit Waagebalken
- Einstellmöglichkeiten: Gaspedalposition,
Pedalplattenposition bei Kupplung und Bremse
- Material Aluminium
- Gewicht: 5kg
- Preis: 2513€
- Optionaler Umlenkhebel erhältlich
Vorteile Nachteile
Einstellbare Gaspedalposition Hohes Gewicht
Preis
Gaspedal ohne Rückstellfeder
AP-Racing CP5500-20
Spezifikationen:
- stehendes System
- Übersetzungsverhältnis 4,85:1
- Pedallänge: 215mm
- Ausführung mit Waagebalken
- Einstellmöglichkeiten: Pedalpositionen,
Pedalplatten
- Material Aluminium
- Gewicht: 2,5kg
- Preis: 794,10£ (981,73€)
- Optionaler Umlenkhebel erhältlich
Vorteile Nachteile
Einstellbare Pedalpositionen
Großer Einstellbereich bei Pedalplatten
http://www.apracing.com/ProductImages/cp5507_19.jpg
http://www.apracing.com/ProductImages/CP5500%20pedal%20box%20image.jpg
Dokumentation zur Projektarbeit
Tilton Serie 600
Spezifikationen:
- Stehendes System
- Übersetzungsverhältnis 5,29 bis 5,75
- Pedallänge: 210mm
- Ausführung mit Waagebalken
- Einstellmöglichkeiten: Pedalpositionen, Pedalplatten
(dadurch Übersetzungsverhältnis)
- Material Aluminium
- Gewicht: 2,5kg
- Preis: 519€
- Optionaler Umlenkhebel erhältlich
Vorteile Nachteile
Einstellbare Pedalposition
Einstellbares Übersetzungsverhältnis
Preis
Tilton Serie 900
Spezifikationen:
- Stehendes System
- Übersetzungsverhältnis 4,52 bis 5,80
- Pedallänge: 210mm
- Ausführung mit Waagebalken
- Einstellmöglichkeiten: Pedalposition, Pedalplatten,
Übersetzungsverhältnis
- Material Aluminium
- Gewicht: 2,3kg
- Preis: 2213€
- Optionaler Umlenkhebel erhältlich
- Nur in Verbindung mit speziellen Geberzylinder mit
Gelenkbefestigung möglich
- Übersetzungsverhältnis über verschiebbare Aufnahme des Waagebalkens veränderbar
Vorteile Nachteile
Einstellmöglichkeiten Spezielle und teure Geberzylinder notwendig
Gewicht
http://www.tiltonracing.com/sites/default/files/editor_uploads/files/Tilton2012%20-%20Pedal%20Assemblies.pdf
http://www.tiltonracing.com/sites/default/files/editor_uploads/files/Tilton2012%20-%20Pedal%20Assemblies.pdf
Dokumentation zur Projektarbeit
Einleitung
Umbau von hängendem zustehendem Pedalsystem
Kupplungspedal im gleichen Gehäuse wie Gaspedal
Bohrungen zur Befestigung im Gaspedalgehäuse beidseitig
Abstand der Pedale muss auch beim Tausch erhalten bleiben. Event. über
Pedalbolzen und Spacer realisierbar. Sowie über Pedalplatten und/oder
Abstand der Stege am Grundkörper. Abstand von Pedalplatte zu Pedalplatte
50mm. Auch Einstellung über Pedalplatten selbst möglich.
Befestigungsbolzen für Gaszug beidseitig einschraubbar vorsehen
Aufnahme für Geberzylinder an beiden vorsehen. Oder nachträglich
bohren/fräsen?
Befestigungsmöglichkeiten bei hängender/stehender Ausführung?
Gleich/unterschiedlich?
- Befestigungsmöglichkeiten bei hängenden Pedalen: laut Jansen nach vorne (bei
uns event. über Rückplatte(Spritzschutzblech zw. Grundplatte und
Geberzylindern klemmen)); auf 2 Längsträgern aufgesetzt; oder nach oben
- bei stehenden meist auf Bodenplatte verschraubt
Befestigungsbohrungen an Grundplatte versetzen
Umgebungsbedingungen?
- kein Standardbefestigungssystem gefunden
Umlenkhebel weiterhin optional Ankleben. Würden Bohrungen für
Geberzylinder stören?
Waagebalken drehen oder Aussparung für Verstellwelle in Kupplungspedal
vorsehen (gleicher Pedalkörper wie Gaspedal?) Länge Verstellwelle
ausreichend? Von welcher Seite herangeführt?
Max. gefundene Länge 1800mm.
Zuführung bisher nur von rechts (Gaspedalseitig) gesehen.
Drehen des Waagebalkens besser.
Genau die gleichen Spacer für beide Varianten verwenden?
- wenn möglich vorzusehen (weniger extra Drehteile)
Winkel der Pedale für beide Positionen passend gestalten oder einstellbar.
Siehe Lsg. für Pedallänge
Passt Länge der Pedale für stehende Montage? Oder zu hoch?
- Höhe über Boden 203mm kann aber zum Bsp. auch durch Zwischenboden
welcher oberhalb der Drehpunkte liegt erreicht werden
Dokumentation zur Projektarbeit
Einleitung
Hängende Montage Stehende Montage
Hebellänge Ca. 260mm Ca. 180mm (bei Jansen meist länger)
Lage des Drehpunkts Nach hinten versetzt Senkrecht unter Fußplatte, eher leicht nach hinten versetzt
Folgen bei versetzen des Lagerpunkts
Versetzen nach vorne: Kreisbahnen von Pedal und Fuß gehen weit auseinander Gefühl das Pedal unter Fuß nach oben weg rutscht
Versetzen nach hinten: bei geringer Abweichung wenig Einfluss. Wenn zu weit nach hinten versetzt: Gefühl das sich das Pedal gegen den Fuß stellt, ähnlich dem senkrechten drücken auf einen Stab
Winkel der Pedalplatten gegenüber Boden
Geneigt Nahezu senkrecht Pedalplatten müssten gedreht werden können: unterschiedliche Bohrungen, oder Langlöcher?
Mögliche Lösung wäre auch für beide Varianten unterschiedliche Drehpunkte
vorzusehen, dies würde Problem der Drehpunktlage und der Winkel beheben.
Dabei wäre noch darauf zu achten dass beim Tausch die Pedalübersetzung
keinen Umkehrpunkt von progressiv auf degressiv bekommt.
Aufnahmepunkte verschieben
Allerdings höherer Fertigungsaufwand und mehr Umbauarbeiten nötig.
Bei steiler stehendem Gaspedal muss auf zulässigen Verdrehwinkel geachtet
werden, da dieser größer wird und Feder schon weit ausgelastet ist.
Winkel der Pedalplatten muss einstellbar sein. Oder Winkel und Position (auf
Länge des Hebels) zum gleichzeitigen Höhenausgleich.
Endanschläge müssen einstellbar sein, da sich Anschlagpunkte verschieben.
Fersenanschlag vorsehen, event. gleich mit Höhenausgleich, siehe Höhe über
Boden
Fersenanschlag fest an Grundplatte oder separat möglich? Event. auch als
optionales Zubehör.
bei seperater Ausführung ist individuelle Montage zur Anpassung an persönliche
Vorlieben einfacher möglich.
Geberzylinder umdrehen. (kein Problem, da symmetrisch)
Event. möglich Grundplatte auch symmetrisch zu gestalten. Kein Muss, vorrangig
ist passende Position zur Anbindung von Gas- und Kupplungspedal ohne
zusätzliche Teile
Dokumentation zur Projektarbeit
Einleitung
Weniger Plattenmaterial für Rohacel-Kern nötig
Mehr Drehteile erforderlich (Spacer, Verbindungsteile)
Wie viel Umbauarbeiten dem Kunden zutrauen? Oder selber in verschiedenen
Versionen zusammen bauen?
Je weniger, desto besser. Am besten nur Gehäuse vertauschen. Allerdings:
Waagebalken und Geberzylinder drehen erforderlich, (event. noch Lagerpunkt
ändern)
Systemspezifische Teile zulässig oder alle universell?
möglichst universell und keine zusätzlichen Teile je nach Version um Kosten zu
sparen
Optional anschraubbare Teile zulässig?
Fersenanschlag
Umlenkung
Dokumentation zur Projektarbeit
Einleitung 2.3 Forderungen des Kunden
Die Pedalerie sollte folgende Kriterien erfüllen:
Volle Funktionalität
Leichtbauweise
Keine Elastische bzw. Plastische Verformung bei einem Crash
Optionale Befestigungsmöglichkeiten für den Einbau in andere Autos
Hohe Verschleißfestigkeit
Hohe Temperaturen im Innenraum eines Rennsportwagens (XXX°C)
Hohe Steifigkeit der Grundplatte gegen durchdrücken
Keine Überschreitung der Maximalen Einbaumaße für das Auto
Ausreichende Dimensionierung der Befestigungselemente
Sicherheit von 2
Adaptive anbauweise für verschiedenste Gaspedale
Ergonomische Anpassungsfähigkeit
Einstellbare Einbauposition (stehend/hängend)
Einstellbares Bremsverhalten (hinten/vorne-Seite)
Einstellbare Position der Fußabstandslänge (festmonierter Sitz)
Einstellbare Fußauflageflächen
Dokumentation zur Projektarbeit
Einleitung 7
2.4 Vorgehensweise
Für eine Reibungslose Entwicklung im vorbestimmten Zeitplan ist eine genau definierte
Vorgehensweise unerlässlich.
Das Projekt wird wie folgt eingeteilt:
Phase 1- Planung: Alle Aspekte, die für den Projektablauf nötig sind, wurden
eingeteilt. Wie beispielsweise der Morphologische Kasten, der Zeitplan oder die
Nutzwertanalyse.
Phase 2-Konstruktion/Entwicklung: Ein Waagebalkensystem musste eigens für
diese Anforderungen entwickelt werden. Alle Forderungen der Festigkeit
mussten vorab Berechnet werden.
Die Grundplatte darf sich bei der Maximalbelastung nicht elastisch oder plastisch
verformen. Außerdem muss sie die Kräfte von den Pedalen auf die Geberzylinder
über die langen Hebel aushalten können.
Die Pedale selbst müssen eine hohe Steifigkeit aufweisen können.
Alle CFK Teile müssen eine genau definierte Form haben um sie später bei der
Fertigung reibungslos entformen zu können.
Alle Ideen der Konstruktion mussten anschließend Ihrer Form und Funktion
entsprechend berechnet werden und im CAD teilweise wieder überarbeitet
werden um den hohen Anforderungen zu entsprechen.
Phase 3-Aufbereiten der Zeichnungen: Um alle Komponenten fertigen zu
können ist eine Stückliste aller Teile notwendig mit je einer Ableitung der 3D
Zeichnung
Phase 4-Projektabschluss: Diese Phase beinhaltet die Erstellung der
Dokumentation der Projektarbeit.
Dokumentation zur Projektarbeit
Planung 8
3 Planung
3.1 Zeitplan
Dokumentation zur Projektarbeit
Planung 9
3.2 Black-Box-Darstellung
Diese Darstellung dient dazu das zu entwickelnde System unabhängig von etwaigen
Vorbildern zu betrachten um eine möglichst eigenständige Lösung zu erreichen.
Emission: Alle denkbare negative Einflüsse die bei der Gestaltung berücksichtigt werden
müssen (Sicherheitsfaktoren wie z.B. Quetschgefahr, die die Inbetriebnahme gefährden
könnten)
Immission: Alle denkbare Einflüsse auf das Projekt einwirken könnten (Vorschriften von
Behörden die eine Betriebserlaubnis gefährden könnten)
Input: Alle Faktoren die von außen in das System gelangen in Form von Energie und
Information (Die Maximalbelastung bei einem Crash und die eventuellen besonderen
Umstände)
Output: Alle Faktoren die aus dem System heraus kommen in Form von Energie und
Information (Kräfte die über das Hebelsystem entstehen können und von der Pedalerie
aufgenommen werden müssen)
Quelle: Entwickeln-Konstruieren- Berechnen;
Seite 147
Durchdrücken des
Pedalweges
Input:
Energie als
Kraft über das
Bremsen
eingeleitet
Output:
Signal über
Geberzylinder an
die Bremsanlage
Emission:
-Quetschgefahr
-Zersplittern beim Crash
-Bewegungsfreiheit
Immission:
-Unfallverhütungsvorschriften
-Vibrationen
-Temperaturschwankungen
Dokumentation zur Projektarbeit
Planung 10
3.3 Vorstellung der Beiden Varianten
3.3.1 Variante „Dallara“
Diese Grundplatten-
konstruktion beruht auf eine
Fachwerkbauweise mit
idealer Kraftübertragung auf
die Haltevorrichtungen. Eine
Anbindungsmöglichkeit für
die Geberzylinder wurde noch
nicht entwickelt. Es ist zu
überlegen ob diese Form aus
CFK gebaut werden kann.
3.3.2 Variante „L Grundplatte“
Diese Variante hat bereits
eine
Anbindungsmöglichkeit für
die Geberzylinder.
Weiterhin hat es Optimale
Formen um den
eintretenden Kräften
entgegenzuwirken. Es ist zu
überlegen ob diese
Konstruktion gefertigt
werden kann.
Dokumentation zur Projektarbeit
Planung 11
3.4 Morphologischer Kasten
Da zwei Varianten zur Auswahl standen, wurde die Lösungsfindung mithilfe eines
Morphologischen Kastens entschieden.
Varianten Einzelfunktion
Variante „Dallara“
Variante „L Grundplatte“
Anbringung der Geberzylinder
Nur durch eine weitere Platte möglich
Anbringung möglich
Optimale Übertragung der Bremskraft über die Form
Kraftflussrichtung wurde bei der Konstruktion berücksichtigt
Kraftflussrichtung wurde bei der Konstruktion berücksichtigt
Zu erwartende Steifigkeit gegen Durchdrücken
Zu niedrige Stege Ausreichend hohe Stege dienen der besseren Steifigkeit
Sichere Anbindung an das CFK Monocoque durch lange Lochabstände
Über diese Form nur kurze Abstände möglich
Über diese Form ausreichende Abstände Möglich
Verwendbarkeit für Stehende und Hängende Pedaleinheit
Einheit kann Stehend wie Hängend montiert werden
Einheit muss weiter umgebaut werden
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung 12
4 Konstruktion/Entwicklung
4.1 Entscheidung zur Form
Durch die Berücksichtigung der Kriterien im Morphologischen Kasten wurde zu
Variante „L-Grundplatte“ entschieden.
4.2 Konstruktion mit Berechnung
4.2.1 Konzept Waagebalkensystem
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung
Der Waagebalken ist für die Lastverteilung der beiden Bremszylinder wichtig. Anders als
im normalen PKW mit diagonaler Bremsenansteuerung muss im Rennsport die Kraft
mehr in die Front oder ins Heck geleitet werden.
1=Bremssattel
2=Pedalanlage
3=Bremskraftverstärker
4=Gas
5=Bremsleitungen
Quelle: H2F Engineering
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung 13
Eine weitere Besonderheit ist, dass die Lastverteilung während des Rennens verschieden eingestellt werden muss. Dies wird mit einem Flexwelle erreicht der am Waagebalken mit einem Vierkantaufsatz befestigt wurde. Die andere Seite der Flexiebelen Welle wird mit einem Gerendertem Drehknopf im Cockpit befestigt. Durch das Drehen ändert sich der Winkel der Stößel der Geberzylinder und somit auch die Kraftverteilung auf der Vorder- beziehungsweise Hinterachse.
Quelle: Rennsporttechnik
1=Vierkantanschluss
2=Flexwelle
3=Drehknopf
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung 14
Berechnung Kräfte am Waagebalken
Ausgangsgrößen Bemerkung
lV 23 mm (min)
lH 43,5 mm (max)
( Summe 66,5 mm)
d Waagebalken 10 mm größtes Biegemoment
d Kerbwirkung 9,5 mm größte Belastung in Nut
z Kerbwirkung 16 mm größte Belastung in Nut
FH 4460,43 N
FV 8436,02 N
FV/FH 1,89
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung 15
Berechnung zur Festigkeit des Waagebalken
Mb 194028,50 Nmm
Wb 98,17 N/mm³
Ϭb 1976,36 N/mm²
Mb 134976,35 Nmm
Wb 84,17 N/mm³
Ϭb 1603,57 N/mm²Biegemoment bei Nut
Biegemoment (Krafteinleitung)
Widerstandsmoment gegen Biegeung
Biegespannungen (Krafteinleitung)
Biegespannungen bei Nut Sicherungsring
Widerstandsmomentgegen Biegung bei Nut
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung 16
Faktoren zur Berechnung der Festigkeit des Waagebalkens
Material Re 828 N/mm2 TiAl6V4
Rm 895 N/mm2 TiAl6V4 E-Modul 114000 N/mm2 TiAl6V4
Einflußfaktoren
Kt 0,95 (20mm) technologischer Größeneinflußfaktor
TB 3-11
KϬ 1,08108108
βKϬ 1 Kerbwirkungszahl TB 3-9
Kg 0,925 (20mm) geometrischer Größenfaktor TB 3-11
KOϬ 1 Oberflächeneinflußfaktor TB 3-10
KV 1 Einflußfaktor auf Oberflächenverfestigung
TB 3-12
ρ* 0,05
am 0,00035 Faktor Mittelspannungswempfindlichkeit
TB 3-13
bm -0,1 Faktor Mittelspannungswempfindlichkeit
TB 3-13
ψϬ 0,21325 Mittelspannungsempfindlichkeit
Nut für Sicherungsring nach DIN 471 r Grund 0,2 mm mindest
D x d x
sD 1 Dauerbruch
sz 1,2 TB 3-14 Kompensation Berechnung
Ϭmv 988,18 1/2 Ϭmax
Ϭa 988,18 1/2 Ϭmax
Randbedingungen
Dokumentation zur Projektarbeit
1
17 mm
4099,83 mm4
0,038 μm
Belastungsdfall Krafteinleitung mittig
d Wellendurchmesser FTM
I FTM (Kreis)
fm Durchbiegung
Konstruktion/Entwicklung 17
Berechnung der Verformung des Waagebalkens bei Kraftangriff in der Mitte
Berechnung der Verformung bei Kraftangriff außen
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung 18
Errechnete Spannungen ϬbWN 500,0 N/mm² Wechselfestigkeit
ϬbW 475,0 N/mm² Dauerfestigkeit ϬGW 439,4 N/mm² Gestaltwechselfestigkeit ϬGA 362,1 N/mm² Gestaltdauerfestigkeit Überlastfall 3
Randbedingungen Durchmesser für Berechnung 17 mm (Verformung Waagebalken)
Widerstandsmoment 482,33 mm³
Fußkraft bis Zerstörung F> 3000,9 N
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung 19
4.2.2 Konzept Grundplat
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung
Die Grundplatte der Bremse ist am
stärksten belastet. Sie wurde als
Holkörper konstruiert, da sie eine
weitere Versteifung bekommt.
Der unten abgebildete ROHACELL
Einleger wird genau der Innenform
entsprechend Gefräst und
anschließend eingeklebt.
ROHACELL 71 hat eine Dichte
von 71kg auf einen m³ und
kann dabei eine hohe
Steifigkeit aufweisen.
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung
Kupplung und Gasanbringung
Um fertigungskosten einzusparen wird die Konsole für Gas und Kupplung identisch gefertigt. So wird nur eine gefräste Form benötigt um das Bauteil mit der Autoklavtechnik zu produzieren. In dieser Zeichnung ist zu erkennen, dass kein Schaumeinleger eingesetzt werden muss. Da auf das Kupplungs- und Gaspedal keine derart großen Belastungen wirken als vergleichsweise auf dem Bremspedal, kann hierbei Material und somit Kosten eingespart werden.
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung
Versteifung der Konsolenanbindung
In den ROHACELL-Schaumeinleger wird eine Steife für die anzubringenden Konsolen
eingeklebt. Somit kann eine optimale Kraftübertragung stattfinden.
Die Funktion der beiden Schrauben wird später noch ausführlich erklährt.
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung
Konzept Bremspedal
Dokumentation zur Projektarbeit
Bemerkungen
F1 2000 N (Rennwangentechnik Seite 106, Kap. 5)
l1 267,511 mm
l2 41,486 mm
F2 12896,447 N
1: 6,45
Ausgangsgörßen
Übersetzung
Konstruktion/Entwicklung
Berechnung Lagerkräfte am Pedal
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung
Maximale Lagerkraft im Drehpunkt
Waagebalken am Anschlag
FD 10896,447 N
Biegemoment im Lager Waagebalken
MB 452050 Nmm
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung
Berechnung Schrauben Befestigung Fußauflage-Pedalkörper
benötigtrer Reibschluß zur Übertragung einer Querkraft
4 Stück
1,5
2
0,6
0,15
3,41 °
1 mm
5,35 mm
4,773 mm
5,0615 mm
60 °
9,826429816 °
1000 N/mm² 10.9 Festigkeitsklasse Schraube
Erforderliche Klemmkraft
FVQ 625,00 N
Vorspannkraf bei 90%iger Ausnutzung der Streckgrenze
Fvzul 13721,27 N
ds - Spannungsdurchmesser
β - Flankenwinkel M6
α - Steigungswinkel Schraube M6
P - Steigung Schraube M6
d2 - Flankendurchmesser M6
n - Anzahl Schrauben
Bemerkungen
d3 - Kerndurchmesser M6
m Anzahl Bt. Reibflächen
µ haftreibung zw. BauteilenCarbnon-Carbon Gleitreibung Bremsanlage !!! (http://www.at-rs.de/beitrag/items/so-bremst-die-formel-1.html)
µG Haftreibung im Gewinde Stahl-Stahl
Re - Nennzugfestigkeit
(dynamische Belastung)sR - Sicherheit gegen Rutschen
δ` - Effektiver Reibwinkel
Dokumentation zur Projektarbeit
Festigkeitsklasse Schraube
Konstruktion/Entwicklung
Pedalanschlussplatte
Bei langen Hebeln können sehr leicht große Kräfte auftreten. Des halb musste der Abstand der beiden Schrauben verlängert werden. Somit wird einem Materialermüden entgegengewirkt. Durch nachfolgende Rechnung wird ein Bolzendurchmesser von 12mm bestimmt.
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung
Berechnung der Verschraubung im Drehpunkt des Lagers
Dimensionierung des Bolzens
Im Falle eines Crashs wird eine Pedalkraft von
2000N aufgeschlagen. Die über den Hebel
eingeleitete Kraft vergrößert sich auf knapp
10700N auf den Bolzen.
Bemerkung
39 mm
11,5 mm symetrisch
12 mm
Symetrische Aufteilung
FD= FL
Größtes Biegemoment in Mitte
Mb 62654,5702 Nmm
Biegespannungen im Bolzen
ϬB 369,33 N/mm2
4.Berechnung Verschraubung Lager Drehpunkt
l - Abstand Lagerstellen
a - Abstand Krafteinleitung /Lagerstelle
d Durchmesser Krafteinleitung
Schraube M13
Dokumentation zur Projektarbeit
Re 1080 12.9 (Berechnungwerte Material 34CrMo4)
Rm 1200 12.9
E-Modul 210000
Kt 0,95 TB 3-11
KϬ 1,72222222
βKϬ 1 TB 3-9
Kg 0,75 TB 3-11
KOϬ 0,72 TB 3-10
KV 1 TB 3-12
am 0,00035 TB 3-13
bm -0,1 TB 3-13
ψϬ 0,32
F> 2262,98 N
Faktor Mittelspannungswempfindlichkeit
Faktor Mittelspannungswempfindlichkeit
Einflußfaktor auf Oberflächenverfestigung
technologischer Größeneinflußfaktor
Kerbwirkungszahl
geometrischer Größenfaktor
Oberflächeneinflußfaktor
Material
Einflußfaktoren
Fußkraft bis Zerstörung
Mittelspannungsempfindlichkeit
ϬbWN 500,0 N/mm²
ϬbW 475,0 N/mm²
ϬGW 275,8 N/mm²
ϬGA 208,9 N/mm² Gestaltdauerfestigkeit Überlastfall 3
Wechselfestigkeit
Dauerfestigkeit
Gestaltwechselfestigkeit
Errechnete Spannungen
Konstruktion/Entwicklung
Berechnung Festigkeit Bolzen
sz 1 TB 3-14 Kompensation Berechnung
Ϭmv 184,66 1/2 Ϭmax
Ϭa 184,66 1/2 Ϭmax
Randbedingungen
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung
Durch drehen dieser Kunststoffscheibe (Insert)wird
der Winkel Angepasst, damit man den Umbau von
hängender nach stehender Pedalerie vornehmen
kann.
Zum wechseln des Winkels muss nur das
Waagebalkensystem ausgebaut werden. Die
Kunststoffinserts können einfach herausgenommen
und gewendet werden.
Abb. zeigt Einbau in einer stehenden Pedalanlage.
Beim Einbau für eine hängende Pedalerie würde der Kunststoffinsert nach rechts zeigen.
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung
Konzept Kupplungspedal
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung
Herstellung der Pedalstange
Alle Pedalstangen werden nach dem U-Prinzip
gefertigt. Das hat den Vorteil, dass die am
Stärksten Belasteten Seitenflächen eine Doppelte
Wandstärke besitzen.
Berechnung der Kräfte auf die Pedalstange
Da das Bremspedal bereits auf alle
vorkommenden Beanspruchungen überprüft
und für ausreichend empfunden wurde, kann
von einer weiteren Berechnung abgesehen
werden.
Abb. zeigt die Schnittdarstellung eines
Pedals mit U Prinzip.
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung
Konzept Gaspedal
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung
Anschlag und Wiederstand der Bremse
Ein ausgeklügeltes System (gelb) lässt den Winkel des Gaspedals und gleichzeitig den
Wiederstand des entgegenwirkens regulieren.
Federung des Gaspedals
Mit der vertikalen Einstellschraube kann durch ein oder ausdrehen die Federkraft
eingestellt werden. Die Kraft die beim durch drücken des Pedals dem Fuß entgegenwirkt
ist nun Individuell für alle Fahrer einstellbar.
Winkel des Gaspedals
Mit der Vertikalen Einstellschraube kann der Winkel des Pedals dem jeweiligen Fahrer
angepasst werden. Weitergehend kann diese Funktion auch beim Umbau von hängend
nach stehend benutzt werden.
Dokumentation zur Projektarbeit
Konstruktion/Entwicklung
Gaszuganbringung
Eine Umlenkung der Bewegung an die Hinterseite des Systems lässt einen Praktischen
Anbau von Gasseilzug zu.
Über eine Gewindestange und den Gelenkkopfmuttern lässt sich die Länge noch fein
einstellen.
Elektronische Gasansteuerung
In modernen Rennsportwagen werden zunehmend mehr elektronisch regelbare
Gasansteuerungen verbaut um die Maximale Leistung aus dem Motor zu holen.
Durch die einfache Modulbauweise ist es möglich den rechten Teil der Anlage zu
demontieren und bei den vorhandenen Befestigungsmöglichkeiten einen Adapter für ein
Beliebiges Gassystem zu befestigen.