Dokumentation zur Projektarbeit - Technikerschule … · Dokumentation zur Projektarbeit...

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  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Dokumentation zur Projektarbeit

    Entwicklung eines Leichtbau Pedalsystems

    aus CFK fr den Rennsport

    Referent: Grnberger 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 hngendem und stehendem Pedalsystem

    2.4 Konkurrenzprodukte

    2.5 Umbau von hngendem 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 Stckliste

    5. Projektabschluss

    6. Anlagen

    7. Literatur

    8. Quellenverzeichnis

    9. Erklrung

  • Dokumentation zur Projektarbeit

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Aufgabenstellung 3

    1 Aufgabenstellung

    1.1 Projektthema

    Entwicklung eines Leichtbau Pedalsystems aus Verbundwerkstoffen fr den

    Automobilrennsport

    1.2 Projektdaten

    Diese Projektarbeit wurde in dem Zeitraum vom August 2012 bis zum Januar 2013 im

    Rahmen meiner Weiterbildung zum Staatlich geprften Maschinenbautechniker an der

    TSIN Ingolstadt erstellt.

    Der Zeitaufwand fr das Projekt inkl. Ausarbeitung beluft sich auf ca. 300 Stunden

    Die Umsetzung wurde in Zusammenarbeit mit der Technikerschule Ingolstadt und der

    Firma H2F-Engineering durchgefhrt.

    Projektbetreuer

    Herr Karl Hartl Herr Dipl. Ing. Hartmann Marc Technikerschule der Stadt Ingolstadt H2F- Engineering Adolf-Kolping-Strae 11 Daimlerstrae 12 85051 Ingolstadt 85080 Gaimersheim Termine der Projektarbeit

    Projektstart 27.August 2012 Termin der ersten Prsentation 22.November2012 Abgabe der Dokumentation Termin der Abschlussprsentation

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Einleitung 4 2 Einleitung

    2.1 Das beteiligte Unternehmen Es ist ein mittelstndisches Unternehmen mit dem Sitz in Gaimersheim fr Engineering CAD /CAE und in Wadmnchen fr Prototypen, Messtechnik und Fahrdynamik. Gesamtfahrzeugentwicklung

    Desingumsetzung

    Fahrdynamik, Suspension System

    Baugruppenentwicklung (Prototypen bis Kleinserien)

    Fahrzeugstrukturen Leichtbau, Alternative Werkstoffe

    Bauteilauslegung

    Werkzeugkonstruktion und Entwicklung Motorsportkomponenten

    lhandlingsysteme

    Kraftstoffsysteme

    Bremsbelftung Zu den Kunden zhlen 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 Gefhl fr die Pedale zu geben. Ein zu weich ausgelegtes System erzeugt ein schwammiges Verhalten. Speziell das Bremspedal muss stabil ausgelegt werden. Es wird in Extremfllen mit 2000N bis 4000N belastet und soll diesen auch Stand halten. Kupplung und Bremse werden in der Regel hydraulisch ber Geberzylinder bettigt. Diese werden direkt an das Pedal angebunden. Die Lage der Anbindungspunkte und die Lnge der Pedale

    ergeben ein bersetzungsverhltnis was im Bereich von 4,5 bis 6,2 liegt. In Ausnahmefllen sind auch Werte von 3 bis 6,5 mglich.

    Quelle: H2F Engineering

    Abb. Aktuelles Pedalsystem

    im Gumpert Apollo

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Einleitung Bei einigen am Markt erhltlichen Modellen (z.B. Tilton) ist das bersetzungsverhltnis ber verschiedene Anbindungspunkte des Geberzylinders einstellbar. Durch feststehende Geberzylinder ndert sich der Wert der wirksamen Pedalkraft stndig. Es ist darauf zu achten das man ber den gesamten Pedalweg einen progressiven Kraftanstieg hat. Ein degressives Verhalten ist dringend zu vermeiden, da sich dabei fr den Fahrer ein strendes Gefhl einstellt. Je mehr der Fahrer auf das Pedal tritt, desto weicher fhlt sich der Widerstand an. (M. Trzesniowski, Rennwagentechnik, 2. Auflage, S. 111). Erst recht ist ein Umkehrpunkt zwischen beiden Verhalten zu vermeiden! Am Bremspedal wird hufig ein Waagebalken mit 2 separaten Geberzylindern eingesetzt ber welchen man die Bremskraftverteilung stufenlos regeln kann. ber das Gaspedal wird der Wagen entweder elektronisch oder ber einen Gaszug beschleunigt. In unserem Pedalsystem beschrnken wir uns auf eine Bettigung ber einen Gaszug. Dieser wird entweder ber einen seitlich am Pedal angebrachten Bolzen (bei Fahrzeugen mit Heckmotor) oder ber einen separaten Umlenkhebel (Fahrzeuge mit Frontmotor) angelenkt. Weiterhin sollte eine Rckstellfeder angebracht sein damit beim loslassen des Pedals auch das Gas sicher zurck genommen wird und fr den Fahrer eine gewisse Widerstandskraft zu spren ist. Die Hhe der Kraft hngt von den Vorlieben des Fahrers ab. Bei manchen Modellen kann ein zustzlicher Bgel montiert werden, um das Pedal damit aktiv zurckziehen zu knnen. Die Pedalstellung hngt grundlegend von der Fahrerposition und der Ergonomie ab. Demnach sollte die Hhe der Pedalplatte ber dem Fersenaufsetzpunkt (Boden Mitte Pedalplatte) etwa 203mm betragen. Die Winkelstellung der Pedale gegenber dem Boden hngt auch von der Sitzhhe ab. Demnach sollte der Winkel zwischen Fusohle und Unterschenkel des Fahrers in der unbettigten Pedalposition min. 87 betragen und mit bettigen des Pedals grer 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. Whrend Kupplungs- und Bremspedal wie oben beschrieben ausgerichtet werden, sollte das Gaspedal etwas nach vorne versetzt werden, so dass es auf Hhe der bettigten Bremse liegt. Dies ermglicht dem Fahrer beim Bremsen und herunterschalten entweder mit dem Auenrist oder mit der Hacke-Spitze-Technik Gas zugeben. Fr zweiteres ist es von Vorteil, wenn das Gaspedal weiter nach unten reicht als das Bremspedal. Der seitliche Abstand (Mitte Pedalplatte Mitte Pedalplatte) liegt blicherweise 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 Oberflche versehen. Da jedes Fahrzeug etwas andere Einbaubedingungen, Sitzpositionen und erst recht jeder Fahrer seine eigenen Vorlieben bei der Pedalstellung hat, knnen verschiedene Einstellmglichkeiten vorgesehen werden.

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Einleitung 6 Der Abstand zum Sitz wird meist noch ber verschiedene Anschraubpunkte eingestellt. Weitere Einstellmglichkeiten sind der Pedalwinkel, die Position der Pedalplatten und das bersetzungsverhltnis. Vergleich von hngendem und stehendem Pedalsystem

    Hngendes

    Pedalsystem

    Stehendes

    Pedalsystem

    Befestigungsmglichkeiten ber Rckseite

    (Schottwand)

    Auf 2 Lngstrgern

    aufgesetzt

    (Mglichkeit des

    einfachen

    Anpassens an den

    Abstand zum Sitz)

    Nach oben

    Mit Bodenplatte

    verschraubt oder

    verschweit

    Pedalposition

    - Gesamtlnge des Pedals

    (Drehpunkt-Ende

    Pedalplatte)

    (256mm)/260mm

    bis 305mm

    255mm bis

    265mm/(270mm)

    - Lnge Drehpunkt-Mitte

    Pedalplatte

    230mm bis

    275mm/(280mm)

    200mm bis 230mm

    Stehende Pedale sind gegenber einem

    hngendem System krzer und haben grere

    Pedalplatten, was die effektive Hebellnge weiter

    herabsetzt

    - Lage des Drehpunkts

    gegenber Pedalplatte

    Etwa 100mm nach

    vorne (Rtg.

    Fahrzeugfront)

    versetzt

    Meist 0 bis 30mm

    in wenigen Fllen

    bis 50mm nach

    vorne versetzt.

    - Winkel der Pedalplatten

    gegenber Fahrzeugboden

    Ca. 20 30

    Neigung nach vorne

    gegenber 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 Fu 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 Flche

    aufliegen

    bersetzung bei Brems- und

    Kupplungspedal

    (3,0) 4,7 6,2 (6,5)

    Weitere wichtige Punkte Bei langen Fahrten

    oft das Ermden

    des Gasfues

    Fersenanschlag ist

    vorteilhaft

    Bei einem Unfall

    sicherer, da diese

    nach vorne

    weggezogen

    werden knnen.

    Stehende Systeme

    stellen sich gegen

    die Beine auf, was

    zu Knochenbrchen

    fhren kann.

    Vorteil des tieferen

    Schwerpunkts, da

    Geberzylinder und

    Lagerpunkte tief im

    Fahrzeug liegen

    Ergebnis: Fr ein universell einsetzbares Pedalsystem mssen vor allem bei Punkten

    der Pedalstellung variable Anschraubmglichkeiten vorhanden sein. Ein

    Kompromiss aus den Werten beider Systeme ist nicht sinnvoll, da man in

    diesem Fall jeweils nur die Extremwerte beider Systeme nutzen knnte.

    Dies wird in den meisten Fllen nicht zu optimalen Bedingungen fr den

    Fahrer fhren.

    Aktuelle Werte bei eigenem Pedalsystem (Stand 29.10.12):

    Gesamtlnge: 311mm

    Pedallnge Drehpunkt-Mitte Pedalplatte: 270mm

    bersetzung: 6,47 an Bremse; 6,59 an Kupplung !

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Einleitung

    Konkurrenzprodukte

    AP-Racing CP5507-19

    Spezifikationen:

    - Hngendes System

    - bersetzungsverhltnis 6:1

    - Pedallnge: 275mm

    - Ausfhrung mit Waagebalken

    - Einstellmglichkeiten: Gaspedalposition,

    Pedalplattenposition bei Kupplung und Bremse

    - Material Aluminium

    - Gewicht: 5kg

    - Preis: 2513

    - Optionaler Umlenkhebel erhltlich

    Vorteile Nachteile

    Einstellbare Gaspedalposition Hohes Gewicht

    Preis

    Gaspedal ohne Rckstellfeder

    AP-Racing CP5500-20

    Spezifikationen:

    - stehendes System

    - bersetzungsverhltnis 4,85:1

    - Pedallnge: 215mm

    - Ausfhrung mit Waagebalken

    - Einstellmglichkeiten: Pedalpositionen,

    Pedalplatten

    - Material Aluminium

    - Gewicht: 2,5kg

    - Preis: 794,10 (981,73)

    - Optionaler Umlenkhebel erhltlich

    Vorteile Nachteile

    Einstellbare Pedalpositionen

    Groer 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

    - bersetzungsverhltnis 5,29 bis 5,75

    - Pedallnge: 210mm

    - Ausfhrung mit Waagebalken

    - Einstellmglichkeiten: Pedalpositionen, Pedalplatten

    (dadurch bersetzungsverhltnis)

    - Material Aluminium

    - Gewicht: 2,5kg

    - Preis: 519

    - Optionaler Umlenkhebel erhltlich

    Vorteile Nachteile

    Einstellbare Pedalposition

    Einstellbares bersetzungsverhltnis

    Preis

    Tilton Serie 900

    Spezifikationen:

    - Stehendes System

    - bersetzungsverhltnis 4,52 bis 5,80

    - Pedallnge: 210mm

    - Ausfhrung mit Waagebalken

    - Einstellmglichkeiten: Pedalposition, Pedalplatten,

    bersetzungsverhltnis

    - Material Aluminium

    - Gewicht: 2,3kg

    - Preis: 2213

    - Optionaler Umlenkhebel erhltlich

    - Nur in Verbindung mit speziellen Geberzylinder mit

    Gelenkbefestigung mglich

    - bersetzungsverhltnis ber verschiebbare Aufnahme des Waagebalkens vernderbar

    Vorteile Nachteile

    Einstellmglichkeiten 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 hngendem zustehendem Pedalsystem

    Kupplungspedal im gleichen Gehuse wie Gaspedal

    Bohrungen zur Befestigung im Gaspedalgehuse beidseitig

    Abstand der Pedale muss auch beim Tausch erhalten bleiben. Event. ber

    Pedalbolzen und Spacer realisierbar. Sowie ber Pedalplatten und/oder

    Abstand der Stege am Grundkrper. Abstand von Pedalplatte zu Pedalplatte

    50mm. Auch Einstellung ber Pedalplatten selbst mglich.

    Befestigungsbolzen fr Gaszug beidseitig einschraubbar vorsehen

    Aufnahme fr Geberzylinder an beiden vorsehen. Oder nachtrglich

    bohren/frsen?

    Befestigungsmglichkeiten bei hngender/stehender Ausfhrung?

    Gleich/unterschiedlich?

    - Befestigungsmglichkeiten bei hngenden Pedalen: laut Jansen nach vorne (bei

    uns event. ber Rckplatte(Spritzschutzblech zw. Grundplatte und

    Geberzylindern klemmen)); auf 2 Lngstrgern aufgesetzt; oder nach oben

    - bei stehenden meist auf Bodenplatte verschraubt

    Befestigungsbohrungen an Grundplatte versetzen

    Umgebungsbedingungen?

    - kein Standardbefestigungssystem gefunden

    Umlenkhebel weiterhin optional Ankleben. Wrden Bohrungen fr

    Geberzylinder stren?

    Waagebalken drehen oder Aussparung fr Verstellwelle in Kupplungspedal

    vorsehen (gleicher Pedalkrper wie Gaspedal?) Lnge Verstellwelle

    ausreichend? Von welcher Seite herangefhrt?

    Max. gefundene Lnge 1800mm.

    Zufhrung bisher nur von rechts (Gaspedalseitig) gesehen.

    Drehen des Waagebalkens besser.

    Genau die gleichen Spacer fr beide Varianten verwenden?

    - wenn mglich vorzusehen (weniger extra Drehteile)

    Winkel der Pedale fr beide Positionen passend gestalten oder einstellbar.

    Siehe Lsg. fr Pedallnge

    Passt Lnge der Pedale fr stehende Montage? Oder zu hoch?

    - Hhe ber Boden 203mm kann aber zum Bsp. auch durch Zwischenboden

    welcher oberhalb der Drehpunkte liegt erreicht werden

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Einleitung

    Hngende Montage Stehende Montage

    Hebellnge Ca. 260mm Ca. 180mm (bei Jansen meist lnger)

    Lage des Drehpunkts Nach hinten versetzt Senkrecht unter Fuplatte, eher leicht nach hinten versetzt

    Folgen bei versetzen des Lagerpunkts

    Versetzen nach vorne: Kreisbahnen von Pedal und Fu gehen weit auseinander Gefhl das Pedal unter Fu nach oben weg rutscht

    Versetzen nach hinten: bei geringer Abweichung wenig Einfluss. Wenn zu weit nach hinten versetzt: Gefhl das sich das Pedal gegen den Fu stellt, hnlich dem senkrechten drcken auf einen Stab

    Winkel der Pedalplatten gegenber Boden

    Geneigt Nahezu senkrecht Pedalplatten mssten gedreht werden knnen: unterschiedliche Bohrungen, oder Langlcher?

    Mgliche Lsung wre auch fr beide Varianten unterschiedliche Drehpunkte

    vorzusehen, dies wrde Problem der Drehpunktlage und der Winkel beheben.

    Dabei wre noch darauf zu achten dass beim Tausch die Pedalbersetzung

    keinen Umkehrpunkt von progressiv auf degressiv bekommt.

    Aufnahmepunkte verschieben

    Allerdings hherer Fertigungsaufwand und mehr Umbauarbeiten ntig.

    Bei steiler stehendem Gaspedal muss auf zulssigen Verdrehwinkel geachtet

    werden, da dieser grer wird und Feder schon weit ausgelastet ist.

    Winkel der Pedalplatten muss einstellbar sein. Oder Winkel und Position (auf

    Lnge des Hebels) zum gleichzeitigen Hhenausgleich.

    Endanschlge mssen einstellbar sein, da sich Anschlagpunkte verschieben.

    Fersenanschlag vorsehen, event. gleich mit Hhenausgleich, siehe Hhe ber

    Boden

    Fersenanschlag fest an Grundplatte oder separat mglich? Event. auch als

    optionales Zubehr.

    bei seperater Ausfhrung ist individuelle Montage zur Anpassung an persnliche

    Vorlieben einfacher mglich.

    Geberzylinder umdrehen. (kein Problem, da symmetrisch)

    Event. mglich Grundplatte auch symmetrisch zu gestalten. Kein Muss, vorrangig

    ist passende Position zur Anbindung von Gas- und Kupplungspedal ohne

    zustzliche Teile

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Einleitung

    Weniger Plattenmaterial fr Rohacel-Kern ntig

    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 Gehuse vertauschen. Allerdings:

    Waagebalken und Geberzylinder drehen erforderlich, (event. noch Lagerpunkt

    ndern)

    Systemspezifische Teile zulssig oder alle universell?

    mglichst universell und keine zustzlichen Teile je nach Version um Kosten zu

    sparen

    Optional anschraubbare Teile zulssig?

    Fersenanschlag

    Umlenkung

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Einleitung 2.3 Forderungen des Kunden

    Die Pedalerie sollte folgende Kriterien erfllen:

    Volle Funktionalitt

    Leichtbauweise

    Keine Elastische bzw. Plastische Verformung bei einem Crash

    Optionale Befestigungsmglichkeiten fr den Einbau in andere Autos

    Hohe Verschleifestigkeit

    Hohe Temperaturen im Innenraum eines Rennsportwagens (XXXC)

    Hohe Steifigkeit der Grundplatte gegen durchdrcken

    Keine berschreitung der Maximalen Einbaumae fr das Auto

    Ausreichende Dimensionierung der Befestigungselemente

    Sicherheit von 2

    Adaptive anbauweise fr verschiedenste Gaspedale

    Ergonomische Anpassungsfhigkeit

    Einstellbare Einbauposition (stehend/hngend)

    Einstellbares Bremsverhalten (hinten/vorne-Seite)

    Einstellbare Position der Fuabstandslnge (festmonierter Sitz)

    Einstellbare Fuauflageflchen

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Einleitung 7

    2.4 Vorgehensweise

    Fr eine Reibungslose Entwicklung im vorbestimmten Zeitplan ist eine genau definierte

    Vorgehensweise unerlsslich.

    Das Projekt wird wie folgt eingeteilt:

    Phase 1- Planung: Alle Aspekte, die fr den Projektablauf ntig sind, wurden

    eingeteilt. Wie beispielsweise der Morphologische Kasten, der Zeitplan oder die

    Nutzwertanalyse.

    Phase 2-Konstruktion/Entwicklung: Ein Waagebalkensystem musste eigens fr

    diese Anforderungen entwickelt werden. Alle Forderungen der Festigkeit

    mussten vorab Berechnet werden.

    Die Grundplatte darf sich bei der Maximalbelastung nicht elastisch oder plastisch

    verformen. Auerdem muss sie die Krfte von den Pedalen auf die Geberzylinder

    ber die langen Hebel aushalten knnen.

    Die Pedale selbst mssen eine hohe Steifigkeit aufweisen knnen.

    Alle CFK Teile mssen eine genau definierte Form haben um sie spter bei der

    Fertigung reibungslos entformen zu knnen.

    Alle Ideen der Konstruktion mussten anschlieend Ihrer Form und Funktion

    entsprechend berechnet werden und im CAD teilweise wieder berarbeitet

    werden um den hohen Anforderungen zu entsprechen.

    Phase 3-Aufbereiten der Zeichnungen: Um alle Komponenten fertigen zu

    knnen ist eine Stckliste 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 unabhngig von etwaigen

    Vorbildern zu betrachten um eine mglichst eigenstndige Lsung zu erreichen.

    Emission: Alle denkbare negative Einflsse die bei der Gestaltung bercksichtigt werden

    mssen (Sicherheitsfaktoren wie z.B. Quetschgefahr, die die Inbetriebnahme gefhrden

    knnten)

    Immission: Alle denkbare Einflsse auf das Projekt einwirken knnten (Vorschriften von

    Behrden die eine Betriebserlaubnis gefhrden knnten)

    Input: Alle Faktoren die von auen in das System gelangen in Form von Energie und

    Information (Die Maximalbelastung bei einem Crash und die eventuellen besonderen

    Umstnde)

    Output: Alle Faktoren die aus dem System heraus kommen in Form von Energie und

    Information (Krfte die ber das Hebelsystem entstehen knnen und von der Pedalerie

    aufgenommen werden mssen)

    Quelle: Entwickeln-Konstruieren- Berechnen;

    Seite 147

    Durchdrcken des

    Pedalweges

    Input:

    Energie als

    Kraft ber das

    Bremsen

    eingeleitet

    Output:

    Signal ber

    Geberzylinder an

    die Bremsanlage

    Emission:

    -Quetschgefahr

    -Zersplittern beim Crash

    -Bewegungsfreiheit

    Immission:

    -Unfallverhtungsvorschriften

    -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 Kraftbertragung auf

    die Haltevorrichtungen. Eine

    Anbindungsmglichkeit fr

    die Geberzylinder wurde noch

    nicht entwickelt. Es ist zu

    berlegen ob diese Form aus

    CFK gebaut werden kann.

    3.3.2 Variante L Grundplatte

    Diese Variante hat bereits

    eine

    Anbindungsmglichkeit fr

    die Geberzylinder.

    Weiterhin hat es Optimale

    Formen um den

    eintretenden Krften

    entgegenzuwirken. Es ist zu

    berlegen ob diese

    Konstruktion gefertigt

    werden kann.

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Planung 11

    3.4 Morphologischer Kasten

    Da zwei Varianten zur Auswahl standen, wurde die Lsungsfindung mithilfe eines

    Morphologischen Kastens entschieden.

    Varianten Einzelfunktion

    Variante Dallara

    Variante L Grundplatte

    Anbringung der Geberzylinder

    Nur durch eine weitere Platte mglich

    Anbringung mglich

    Optimale bertragung der Bremskraft ber die Form

    Kraftflussrichtung wurde bei der Konstruktion bercksichtigt

    Kraftflussrichtung wurde bei der Konstruktion bercksichtigt

    Zu erwartende Steifigkeit gegen Durchdrcken

    Zu niedrige Stege Ausreichend hohe Stege dienen der besseren Steifigkeit

    Sichere Anbindung an das CFK Monocoque durch lange Lochabstnde

    ber diese Form nur kurze Abstnde mglich

    ber diese Form ausreichende Abstnde Mglich

    Verwendbarkeit fr Stehende und Hngende Pedaleinheit

    Einheit kann Stehend wie Hngend montiert werden

    Einheit muss weiter umgebaut werden

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Konstruktion/Entwicklung 12

    4 Konstruktion/Entwicklung

    4.1 Entscheidung zur Form

    Durch die Bercksichtigung 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 fr 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=Bremskraftverstrker

    4=Gas

    5=Bremsleitungen

    Quelle: H2F Engineering

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Konstruktion/Entwicklung 13

    Eine weitere Besonderheit ist, dass die Lastverteilung whrend 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 ndert sich der Winkel der Stel 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 Krfte am Waagebalken

    Ausgangsgren Bemerkung

    lV 23 mm (min)

    lH 43,5 mm (max)

    ( Summe 66,5 mm)

    d Waagebalken 10 mm grtes Biegemoment

    d Kerbwirkung 9,5 mm grte Belastung in Nut

    z Kerbwirkung 16 mm grte 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/mm

    b 1976,36 N/mm

    Mb 134976,35 Nmm

    Wb 84,17 N/mm

    b 1603,57 N/mmBiegemoment 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

    Einflufaktoren

    Kt 0,95 (20mm) technologischer Greneinflufaktor

    TB 3-11

    K 1,08108108

    K 1 Kerbwirkungszahl TB 3-9

    Kg 0,925 (20mm) geometrischer Grenfaktor TB 3-11

    KO 1 Oberflcheneinflufaktor TB 3-10

    KV 1 Einflufaktor auf Oberflchenverfestigung

    TB 3-12

    * 0,05

    am 0,00035 Faktor Mittelspannungswempfindlichkeit

    TB 3-13

    bm -0,1 Faktor Mittelspannungswempfindlichkeit

    TB 3-13

    0,21325 Mittelspannungsempfindlichkeit

    Nut fr 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

    mv 988,18 1/2 max

    a 988,18 1/2 max

    Randbedingungen

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    1

    17 mm

    4099,83 mm4

    0,038 m

    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 auen

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Konstruktion/Entwicklung 18

    Errechnete Spannungen bWN 500,0 N/mm Wechselfestigkeit

    bW 475,0 N/mm Dauerfestigkeit GW 439,4 N/mm Gestaltwechselfestigkeit GA 362,1 N/mm Gestaltdauerfestigkeit berlastfall 3

    Randbedingungen Durchmesser fr Berechnung 17 mm (Verformung Waagebalken)

    Widerstandsmoment 482,33 mm

    Fukraft bis Zerstrung 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

    strksten belastet. Sie wurde als

    Holkrper konstruiert, da sie eine

    weitere Versteifung bekommt.

    Der unten abgebildete ROHACELL

    Einleger wird genau der Innenform

    entsprechend Gefrst und

    anschlieend eingeklebt.

    ROHACELL 71 hat eine Dichte

    von 71kg auf einen m und

    kann dabei eine hohe

    Steifigkeit aufweisen.

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Konstruktion/Entwicklung

    Kupplung und Gasanbringung

    Um fertigungskosten einzusparen wird die Konsole fr Gas und Kupplung identisch gefertigt. So wird nur eine gefrste Form bentigt 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 groen 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 fr die anzubringenden Konsolen

    eingeklebt. Somit kann eine optimale Kraftbertragung stattfinden.

    Die Funktion der beiden Schrauben wird spter noch ausfhrlich erklhrt.

  • 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

    Ausgangsgren

    bersetzung

    Konstruktion/Entwicklung

    Berechnung Lagerkrfte 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 Fuauflage-Pedalkrper

    bentigtrer Reibschlu zur bertragung einer Querkraft

    4 Stck

    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/mm 10.9 Festigkeitsklasse Schraube

    Erforderliche Klemmkraft

    FVQ 625,00 N

    Vorspannkraf bei 90%iger Ausnutzung der Streckgrenze

    Fvzul 13721,27 N

    ds - Spannungsdurchmesser

    - Flankenwinkel M6

    - Steigungswinkel Schraube M6

    P - Steigung Schraube M6

    d2 - Flankendurchmesser M6

    n - Anzahl Schrauben

    Bemerkungen

    d3 - Kerndurchmesser M6

    m Anzahl Bt. Reibflchen

    haftreibung zw. BauteilenCarbnon-Carbon Gleitreibung Bremsanlage !!! (http://www.at-rs.de/beitrag/items/so-bremst-die-formel-1.html)

    G Haftreibung im Gewinde Stahl-Stahl

    Re - Nennzugfestigkeit

    (dynamische Belastung)sR - Sicherheit gegen Rutschen

    ` - Effektiver Reibwinkel

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Festigkeitsklasse Schraube

    Konstruktion/Entwicklung

    Pedalanschlussplatte

    Bei langen Hebeln knnen sehr leicht groe Krfte auftreten. Des halb musste der Abstand der beiden Schrauben verlngert werden. Somit wird einem Materialermden 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 ber den Hebel

    eingeleitete Kraft vergrert sich auf knapp

    10700N auf den Bolzen.

    Bemerkung

    39 mm

    11,5 mm symetrisch

    12 mm

    Symetrische Aufteilung

    FD= FL

    Grtes Biegemoment in Mitte

    Mb 62654,5702 Nmm

    Biegespannungen im Bolzen

    B 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

    K 1,72222222

    K 1 TB 3-9

    Kg 0,75 TB 3-11

    KO 0,72 TB 3-10

    KV 1 TB 3-12

    am 0,00035 TB 3-13

    bm -0,1 TB 3-13

    0,32

    F> 2262,98 N

    Faktor Mittelspannungswempfindlichkeit

    Faktor Mittelspannungswempfindlichkeit

    Einflufaktor auf Oberflchenverfestigung

    technologischer Greneinflufaktor

    Kerbwirkungszahl

    geometrischer Grenfaktor

    Oberflcheneinflufaktor

    Material

    Einflufaktoren

    Fukraft bis Zerstrung

    Mittelspannungsempfindlichkeit

    bWN 500,0 N/mm

    bW 475,0 N/mm

    GW 275,8 N/mm

    GA 208,9 N/mm Gestaltdauerfestigkeit berlastfall 3

    Wechselfestigkeit

    Dauerfestigkeit

    Gestaltwechselfestigkeit

    Errechnete Spannungen

    Konstruktion/Entwicklung

    Berechnung Festigkeit Bolzen

    sz 1 TB 3-14 Kompensation Berechnung

    mv 184,66 1/2 max

    a 184,66 1/2 max

    Randbedingungen

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Konstruktion/Entwicklung

    Durch drehen dieser Kunststoffscheibe (Insert)wird

    der Winkel Angepasst, damit man den Umbau von

    hngender nach stehender Pedalerie vornehmen

    kann.

    Zum wechseln des Winkels muss nur das

    Waagebalkensystem ausgebaut werden. Die

    Kunststoffinserts knnen einfach herausgenommen

    und gewendet werden.

    Abb. zeigt Einbau in einer stehenden Pedalanlage.

    Beim Einbau fr eine hngende Pedalerie wrde 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

    Strksten Belasteten Seitenflchen eine Doppelte

    Wandstrke besitzen.

    Berechnung der Krfte auf die Pedalstange

    Da das Bremspedal bereits auf alle

    vorkommenden Beanspruchungen berprft

    und fr 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 ausgeklgeltes System (gelb) lsst 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 drcken des Pedals dem Fu entgegenwirkt

    ist nun Individuell fr 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 hngend

    nach stehend benutzt werden.

  • Dokumentation zur Projektarbeit

    Konstruktion/Entwicklung

    Gaszuganbringung

    Eine Umlenkung der Bewegung an die Hinterseite des Systems lsst einen Praktischen

    Anbau von Gasseilzug zu.

    ber eine Gewindestange und den Gelenkkopfmuttern lsst sich die Lnge 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 mglich den rechten Teil der Anlage zu

    demontieren und bei den vorhandenen Befestigungsmglichkeiten einen Adapter fr ein

    Beliebiges Gassystem zu befestigen.