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

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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

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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.

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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

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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.