Im Step-1-Projekt wurden knapp 20 Abschlussarbeiten und Praktika realisiert.

Damit ist das Projekt für die beteiligten Unternehmen eine gute Plattform zur Mitarbeiterakquise. So wurde auch der neue Heckflügel im Rahmen einer Abschlussarbeit regelkonform ausgelegt.


Entwicklung eines Heckflügels, Tilo Ernesti

ENTWICKLUNG EINES HECKFLÜGELS
Tilo Ernesti studierte an der Hochschule Heilbronn Maschinenbau. Seine Abschlussarbeit schrieb er beim Step-1-Partner GFI. Ziel der Arbeit war es einen funktionsfähigen, robusten, regelkonformen und einstellbaren Heckflügel für das Forschungsprojekt zu entwickeln. Die Verstellmöglichkeit soll dazu dienen, die aerodynamische Balance des Fahrzeugs einzustellen. Nicht nur nach Auswertung von Messdaten sondern ebenfalls kurzfristig nach zum Beispiel einem Feedback des Fahrers kann hierdurch das Fahrverhalten verändert beziehungsweise auf die aktuelle Rennstrecke angepasst werden.

Da der Rennwagen für das C3-Reglement ausgelegt worden war, dieses aber in der Zwischenzeit durch E2/SC abgelöst wurde war eine Neukonstruktion des Heckflügels erforderlich geworden. Das allgemeine Reglement der Fahrzeuge, die an offiziellen Bergrennen teilnehmen dürfen, nennt sich: „Sporting Regulations of the FIA European Hill Climb Championship“. Nach Anhang J – Artikel 277 dürfen sämtliche aerodynamische Bauteile des Fahrzeugs maximal 800 Millimeter über die Hinterachse hinausragen.
Ebenfalls in diesem Artikel vorgegeben ist die maximale Höhe. Kein Teil der Fahrzeugaerodynamik darf sich höher als 900 Millimeter über dem Boden befinden. Der alte Flügel stand etwa 860 mm hinter der Hinterachse und circa 950 mm über dem Boden. Des Weiteren wird in diesem Artikel auf die Artikel 259-3.7.6 und 259-3.7.7 verwiesen. Darin steht, dass jedes Teil mit aerodynamischer Funktion am Rahmen, also am gefederten Teil des Fahrzeugs, befestigt sein muss und während der Fahrt nicht beweglich sein darf. Eine Art Drag Reduction System, welches den Flügel während der Fahrt öffnet, ist somit nicht erlaubt.
Weiterhin vorgegeben ist der maximale Bauraum des Flügels. Der gesamte Heckflügel, von der Seite betrachtet, muss sich in einem Parallelogramm von 150 mm vertikal und 400 mm horizontal befinden und darf maximal 1.800 mm in der Breite haben. Der Hauptflügel darf aus maximal zwei Teilen bestehen, was das Anbringen eines zusätzlichen Flaps erlaubt. Ein Flap ist ein zweites kleineres Flügelprofil, welches leicht versetzt oberhalb des Flügels angebracht wird und diesen sozusagen verlängert. Hierdurch erzeugt die gesamte Einheit einen deutlich höheren Abtrieb. Der Flügel muss über das Profil an den Rahmen angebracht sein. Eine einzige Anbindung über die Seitenplatten, ähnlich wie man es von der Formel 1 kennt, ist nicht erlaubt. Es ist zwar erlaubt, die Seitenplatten an die Verkleidung anzubringen, jedoch dürfen keine Kräfte übertragen werden.

Neben dem Reglement musste zu Beginn der Arbeit geklärt werden, in welchem Maße der Flügel verstellbar sein sollte. Es muss genug Spiel vorhanden sein, um auf verschiedene Rennstrecken, aber auch auf Probleme beim Fahrverhalten reagieren zu können. Mithilfe einer Strömungssimulation an der Hochschule Heilbronn konnte der maximale Anstellwinkel von 12 Grad ermittelt werden. Im Anschluss erfolgte die konstruktive Auslegung und Umsetzung. Im Fokus standen hierbei vor allem die Themen Leichtbau, Kosten und Umsetzbarkeit.

STATISCHE BALANCE IM BLICK
Neben der Höhenanpassung des Flügels ist die Anbindung an den Halter ein weiterer wichtiger Punkt. Da die Saugseite des Flügels deutlich wichtiger zur Abtriebserzeugung als die Druckseite ist, soll diese nun von oben erfolgen. Der Trend zur Flügelanbindung auf der Druckseite ist auch in zahlreichen Motorportserien zu erkennen, beispielsweise in der Deutschen Tourenwagen- Masters (DTM).

Nach Rücksprache mit der Firma Light Weight, die den ursprünglichen Flügel fertigte, war ein Umbau auf eine Anbindung an der Druckseite nicht möglich. Dies hing vor allem mit dem inneren Aufbau des Carbonflügels zusammen. Die Stege, die von unten in den Flügel ragten, lagen an der Oberseite an einem Alueinleger an und waren dort fest verklebt. Dieser war für eine Anbindung von oben nicht ausgelegt, weshalb ein neuer Heckflügel gebaut werden musste.
Die Anbindung an das Chassis und somit die Kraftübertragung des Flügels auf das Fahrzeug sollte wenn möglich beibehalten werden. Ebenfalls sollten sowohl die Steifigkeit als auch das Gesamtgewicht in Relation zum Vorgänger nicht zu groß verändert werden. Größere Veränderungen des Gewichts beeinflussen die statische Balance und somit das Fahrverhalten.

Die primäre Anforderung an den neuen Heckflügel war eine definierte Verstellung. Ganz gleich wo diese stattfindet, sollte sie genau einstellbar und gegebenenfalls ablesbar sein. Da Sensoren Kostengründen hierfür nicht eingesetzt werden konnte, musste eine rein mechanische Lösung gefunden werden. Um eine gute Zugänglichkeit zu gewährleisten, darf der Zugang zur Verstelleinheit nicht unter der Verkleidung liegen.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Selbsthemmung des Mechanismus. Der Flügel wird nicht nur vertikal belastet, sondern muss ebenfalls Querkräften und vor allem starken Vibrationen standhalten: In keinem Fall darf sich hierdurch der Flügel verstellen. Die Verstellung sollte relativ einfach geschehen, muss aber ebenfalls selbst hemmend gestaltet oder für die Fahrt befestigt werden, so dass der Flügel seine eingestellte Position behält.
Je nachdem welche Dimensionen die gesamte Verstelleinheit einnimmt, kann dies eine deutliche Steigerung des Eigengewichts des Flügels bedeuten. Auch hier sollte, wie schon beim Heckflügelhalter, darauf geachtet werden, dass eventuelles Zusatzgewicht durch Einsparung beziehungsweise Optimierung an anderen Stellen wieder eingespart wird. Denn auch hier gilt: Zusatzgewicht, welches sich nicht im Schwerpunkt befindet, beeinträchtigt die statische Balance des Fahrzeugs und somit das Fahrverhalten.

GUTE ZUGÄNGLICHKEIT
In der Bachelorarbeit wurden vier Konzepte für den Flügelhalter inklusive Verstellmechanismus miteinander verglichen. Das umgesetzte Konzept hat den Drehpunkt im vorderen Flügelhalter. Am Ende der Flügelhalter sitzt je ein Adapterblock, der die Verstellschraube lagert. Dieser ist nur notwendig, weil der Querschnitt des Halters zu gering hierfür ist. Die Verstellschraube liegt unten auf dem Adapterblock auf und wird von oben durch einen Sicherungsring gehalten. Die Schraube lässt sich von oben gut mit einem Inbussschlüssel erreichen. Eine Kugelgelenkstange mit Innengewinde, welche drehbar am Flügel befestigt ist wird durch die Schraube in Z-Richtung bewegt und verstellt den Flügel. An beiden Seiten erfolgt die Einstellung separat: Ein Nachteil dieses Konzepts, das sonst vor allem in den Punkten Genauigkeit, Herstellkosten und Sicherheit gegenüber den anderen drei Konzepten punkten kann.

Das neue Heckflügelsystem ist regelkonform und besitzt eine vergleichbare Kraftübertragung auf das Chassis. Betrachtet man lediglich den Flügelhalter, so wurde knapp 1 Kilogramm eingespart. Im gesamten ist das Heckflügelsystem jedoch nur knapp 200 Gramm leichter aufgrund der deutlich höheren Anzahl von Schrauben und Befestigungselementen gerade in der Verstelleinheit. Die vorgesehene Verstellung kann, sofern dies notwendig ist, in 0,25-Grad-Schritten erfolgen und durch eine Aussparung in den entsprechenden Bauteilen stets abgelesen werden. Die Markierung und Anbringung der Skala findet im zusammengebauten Zustand statt. Die Justierung des Flügels erfolgt mittels eines Inbusschlüssels innerhalb weniger Sekunden, ist alle 0,25 Grad arretiert und kann sich somit nicht durch Vibrationen oder Ähnlichem ver- stellen. Neben der Möglichkeit nun schnell die Flügelstellung zu ändern, wurde durch die neue Anbindung bei gleicher Winkelstellung der Abtrieb um über 30 Prozent gesteigert und gleichzeitig der Luftwiderstand um knapp 20 Prozent verringert. Die aerodynamische Effizienz des Heckflügelsystems wurde somit um 64 Prozent gegenüber dem vorherigen erhöht.

NEUER FRONTFLÜGEL
In Bezug auf die Gesamtaerodynamik des Fahrzeugs ist es zwingend notwendig durch ein weiteres Element an der Vorderachse den Anpressdruck hier ebenfalls variabel zu gestalten. Das gesamte Potential des neuen Heckflügelsystems kann lediglich dann ausgenutzt werden, wenn an der Vorderachse auf Veränderungen entsprechend reagiert werden kann. Vor allem für viele Bergrennen, mit kurvenreichem Streckenprofil und vergleichsweise niedrigen Höchstgeschwindigkeiten ließe sich das Fahrzeug so auf hohen Abtrieb abstimmen.

Text: Sven Prawitz