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AMZ News
APRIL 2016
albula
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grimsel
flüela
gotthard
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suter-kunststoffe ag
«gotthard» - ein Jahrzehnt Fortschritt.
12. August 2007. Der Akademische
Motorsportverein Zürich, der Formula
Student Neuling der ETH Zürich, mischt
mit seinem ersten Auto albula die Formula Student Germany in Hockenheim
auf. Nach nur zwei Wettbewerbstagen
liegen die jungen Ingenieure in der Kategorie «Best Newcomer» an der Spitze.
Die Hoffnungen auf ein sensationelles
Formula Student Debüt sind vor dem
alles entscheidenden Ausdauerrennen
hoch. Doch wie die nächsten 10 Jahre
noch unter Beweis stellen werden, hat
die Formula Student die Eigentümlichkeit, jede noch so kleine Schwachstelle gnadenlos aufzudecken und solche
Hoffnungen in kürzester Zeit auf den
Boden der Tatsachen zu holen. «albulas» Motor will auf der Piste nicht starten
- für die 15 Studenten ist das Rennen
schon vor dem Startschuss gelaufen.
Der AMZ belegt in seinem ersten Formula Student Wettbewerb Platz 27 von
60.
Diese frühen Rückschläge werden
jedoch schnell zu einer treibenden Kraft
für das junge Team. «Wir wollen einen
Technologiesprung machen», lautet
das Fazit für die nächste Saison. Die
Weigerung, sich geschlagen zu geben,
gepaart mit einem unstillbaren Hunger
nach Fortschritt und Innovation werden in den nächsten paar Jahren zum
prägenden Merkmal des AMZ. Die Weichen für den rasanten Aufstieg bis an
die Spitze der Formula Student Electric
Weltrangliste sind gestellt.
Auch zehn Jahre und unzählige Erfolge später zieht sich diese Mentalität wie
ein roter Faden durch die Entstehung
eines jeden AMZ Rennwagens. In der
Saison 2015-2016 äussert sich dieses
Streben nach stetiger Verbesserung im
zehnten AMZ Boliden: «gotthard». Hinter dem legendären Namen wurde ein
ganzes Jahrzehnt an Formula Student
Erfahrungen mit der Tatkraft und dem
Mut zum Wandel eines neuen Kernteams kombiniert. Mit dem Ziel, das
nächste Kapitel der Erfolgsgeschichte
AMZ zu schreiben, wurde ein Fahrzeugkonzept auf die Beine gestellt, welches
neben bewährten Stärken radikale Neuerungen implementiert. Wir freuen uns,
Ihnen «gotthards» technische Konzepte
zum ersten Mal im Detail zu präsentie-
ren und wünschen viel Vergnügen beim
Lesen!
TECHNISCHE DATEN
ANTRIEBSSTRANG
4x AMZ M6 Radnabenmotor
CHASSIS
Einteiliges Carbon-Monocoque
FAHRWERK
Continental Formula Student Reifen
Einteilige 13“ Carbon-Felgen
Luft-Feder-Dämpfer-Elemente mit
Heave Spring
LEISTUNG
4x 39.4 kW
GEWICHT
169 kg
BESCHLEUNIGUNG (0-100 KM/H)
1.9 s
HÖCHSTGESCHWINDIGKEIT
117 km/h
BATTERIESPEZIFIKATIONEN
6.3 kWh, 418.1 V Nominalspannung
«gotthards» Zellpakete
«gotthards» hinteres Fahrwerk
Fahrwerk
Den grössten Einfluss auf die Rundenzeit eines Rennwagens haben die
Reifen. In diesem Bereich findet mit
«gotthard» ein radikaler Umstieg statt:
Der AMZ hat mit Continental einen Partner für die Entwicklung von Formula
Student spezifischen Reifen gefunden.
Diese werden höhere Reibwerte, einen
besseren Kalt-Grip und eine optimierte
Reifenabnutzung aufweisen. Die Radialreifen mit 13-Zoll Innendurchmesser
sind durch ihre Niederquerschnitts-Konstruktion zudem wesentlich leichter als
die bisher verwendeten Reifen.
Das Fahrwerk von «gotthard» erlaubt
eine fast vollständige Entkoppelung der
Einzelrad-, Wank-, und Nickbewegung.
Dies wird ermöglicht durch ein neues Feder-Dämpfer-Konzept, welches
neben dem Stabilisator und den zwei
Einzelradfedern eine dritte Feder beinhaltet.
Die Einzelradfedern und der Stabilisator werden dabei über einen flach
gelegten Umlenkhebel aktuiert. Der
Stabilisator wird als T-Stab ausgeführt.
Dies ermöglicht die Implementierung
einer dritten Feder, einer sogenannten
„Heave Spring“. Diese erlaubt es, die
Einzelradfedern weicher einzustellen
ohne ein Aufsetzen des Fahrzeugs zu
verursachen. Das Resultat ist mehr Bodenhaftung und ein höheres Beschleunigungspotential.
Die Dämpfer von «gotthard» sind einzigartig in der Formula Student und im
Motorsport. Sie enthalten eine magnetorheologische Flüssigkeit, deren Kristallstruktur je nach Bestromung variiert.
Mit einem Regelsystem können so die
Dämpfungskurven der aktuellen Fahrsituation angepasst werden. Zudem kann
mit Hilfe von Radbeschleunigungssensoren auf Bodenunebenheiten reagiert
werden.
Der Radträger von «gotthard» ist ein
aus einem Aluminiumblock gefrästes
Bauteil. Dieses erfüllt mehrere Funktionen: Lagerung des Rades, Fixierung
des Motors und Unterbringung des
Planetengetriebes. Die Verbindung von
Rad zu Chassis stellen die Querlenker
dar. Diese bestehen aus Carbonrohren
und Aluminium-Inserts. Die Verwendung einer 13-zölligen Felge erlaubt neben grösserer Freiheit in der Kinematik
auch den Einsatz von dickeren Querlenkern mit kleineren Wandstärken. Dies
resultiert in einer bemerkenswerten Gewichtersparnis bei identischer Steifigkeit und erhöhter Knicklast-Sicherheit.
2015 - flüela
«gotthards» Monocoque
Chassis
Der AMZ konnte in den letzten acht
Jahren ein umfassendes Know-How in
der Auslegung und der Produktion von
Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen aufbauen. Das gesamte Wissen
fliesst im einteiligen Monocoque von
«gotthard» zusammen, dem komplexesten Bauteil in Eigenproduktion. Jede
einzelne Wandstärke der Struktur wurde anhand von Finite Elemente Simulationstools auf die strengen Anforderungen des Formula Student Reglements
ausgelegt und in Materialversuchen
getestet. Insgesamt wurden beispielsweise fünf verschiedene Varianten der
Nase in einem Crashtest getestet um
den besten Carbon-Lagenaufbau zu
bestimmen.
In fast vier Monaten Arbeit entstand
so eine sehr leichte und steife Konstruktion, die «gotthards» Gewicht auf
einem Minimum hält und gleichzeitig die
Sicherheit des Fahrers in jeder Fahrsituation gewährleistet.
toberfläche verkleinert und damit weiter
Gewicht gespart werden.
Mit einem neuen Packaging konnten vielversprechende konstruktive
Schritte im Bereich der Fahrzeug- und
Aerodynamik vollzogen werden. Durch
eine Umplatzierung des Akkus und der
Motorencontroller wird ein neues Unterboden Konzept ermöglicht, welches für
signifikant bessere Abtriebswerte sorgt.
Um die Fahrer zu entlasten, verfügt
«gotthard» über ein neues, einzigartiges Lenkraddesign. Die Griffe, welche
erstmals additiv gefertigt werden, sind
ergonomisch optimiert und erlauben es
dem Fahrer, das Lenkrad mit wesentlich weniger Kraftaufwand und grösserem Komfort zu bedienen.
Zudem senken diese konstruktiven Änderungen den Schwerpunkt
des Boliden, ermöglichen ein kleineres
Trägheitsmoment und eine verbesserte
Gewichtsverteilung auf die Hinter- und
Vorderachse. Damit werden die fahrdynamischen Eigenschaften deutlich
gesteigert.
Durch die Umgestaltung des Monocoques konnte gleichzeitig die Gesam-
2015 - flüela
«gotthards» neuer Diffusor
Aerodynamik
Um ein stabiles Aerodynamikkonzept
zu realisieren musste der beste Kompromiss zwischen den relevanten Fahrsituationen Geradeausfahrt, Kurvenfahrt und hartes Abbremsen gefunden
werden. Ziel ist es, den höchstmöglichen Abtrieb bei optimaler Balance zu
generieren.
Durch ein neues Unterbodenkonzept
kann ohne zusätzliches Gewicht und
Effizienzverlust der Abtrieb des Fahrzeugs deutlich erhöht werden. Dies gelingt durch den Einsatz eines grossen
Diffusors. Dieser nimmt seinen Anfang
schon kurz hinter dem Fahrersitz im
Monocoque und wird durch ein externes Bauteil am Heck verlängert.
Da der Querschnitt kontinuierlich
über die gesamte Länge des Diffusors
expandiert wird und die Luft am Ende
dieses Kanals die Geschwindigkeit der
Umgebungsluft hat, muss die Luft un-
ter dem Auto relativ zur Umgebungsluft
eine höhere Geschwindigkeit aufweisen. Dadurch sinkt der Druck unter dem
Auto, das Auto wird nahezu angesaugt
und es entsteht Abtrieb.
Um das grosse Potential dieser
Neuerung auszureizen, wurde die Anbindung des Frontflügels überarbeitet.
Diese optimiert nun die Strömung der
Luft in den Unterboden. Gleichzeitig
erhöht sie die Steifigkeit der gesamten
Befestigung drastisch.
Durch die Umplatzierung der Kühlungskomponenten an das Heck des
Monocoques wird bei geringerem Luftwiderstand eine bessere Umströmung
des Fahrzeugs ermöglicht. Somit kann
mehr Abtrieb am Heckflügel erzeugt
werden. Um dessen Effizienz weiter
zu verbessern, wurde eine Schwanenhals-Anbindung realisiert. Dieser ver-
meidet eine Schwächung des Unterdruckgebietes unter dem Flügel.
Die Position des Drag Reduction
System (DRS) wurde neu bestimmt, um
die Anströmung des Profils sauber zu
halten. Das DRS ist auf Leichtbau und
hohe Aus-/Einfahrgeschwindigkeit optimiert.
Um das Gewicht des Aerodynamikpakets weiter zu reduzieren wird ein
neues Fertigungsverfahren für die Flügelkonstruktion angewendet. Dieses
Verfahren erlaubt es, die Flügel mit genügend hoher Stabilität hohl zu gestalten. Die DRS Motoren werden in diesen
Hohlraum platziert.
.
2015 - flüela
«gotthards» selbstentwickelter Motor
Antrieb
Das Erfolgskonzept der letzten drei
Jahre – kompakter Allradantrieb mit
Radnabenmotoren – wird auch dieses
Jahr verfolgt und erweitert. Das Herzstück von «gotthards» Antrieb bilden
die vier AMZ Radnabenmotoren der
sechsten Generation (M6), das Resultat eines grossen Entwicklungsschritts.
Mit neuen Stromspitzen, einer 18%
kürzeren Bauweise und dem Einsatz
von neuen Fertigungsverfahren gelang
es, die enorme Leistungsdichte und
das Drehmoment der Eigenentwicklung
weiter in die Höhe zu treiben.
Die permanenterregten Innenläufer
erzielen je eine Leistung von 39.4 kW,
eine Steigerung von 6% zum Vorjahresmodell. Dies entspricht einer Gesamtleistung von rund 214 PS. Die maximale
Drehzahl wurde auf 19’200 Umdrehungen pro Minute festgesetzt. Mit der neuen Geometrie gelang eine beachtliche
Reduktion der induzierten Spannungen.
Dies ermöglicht es bis zu einer höheren
Nenndrehzahl mit vollem Moment zu
fahren und verbessert die Stabilität und
somit die Zuverlässigkeit des Motors.
Neue Litzen mit höherer Einzellitzenisolationsgüte sowie der Einsatz eines neuen Vergussverfahrens erhöhen die Isolation des Motors, minimieren damit die
Gefahr eines elektrischen Durchschlags
und verbessern die Wärmeabfuhr.
Das im Radträger gelagerte, stufenlose Planetengetriebe untersetzt die hohen Drehzahlen des Motors mit einem
Verhältnis von 14.36 und leitet die Kraft
weiter an die Radnabe. Auch beim Getriebe wurde eine Bauraumoptimierung
in Form einer axialen Verkürzung durchgeführt. Ermöglicht wird dies durch die
neue Reifenwahl, welche auf 13-Zoll
Felgen basiert.
Als Mittelmänner zwischen den Akkuzellen und den vier Motoren fungieren zwei Doppelinverter aus dem
Hause Lenze Schmidhauser. Um den
Wirkungsgrad zu steigern wurden diese
mit innovativen Halbleitermodulen mit
schnelleren Highspeed3 IGBTs und Silizium Carbid (SiC) Dioden ausgestattet.
Die zwei Doppelinverter werden neu in
einem einzigen Gehäuse zusammengefügt. Dieses ist speziell auf das Gesamtpackaging des Fahrzeugs angepasst
und bietet einen verbesserten mechanischen Schutz für die empfindliche
Hochleistungselektronik.
Um die Bedingungen für die Aerodynamik des Fahrzeuges zu optimieren,
wurde ein neues Kühlungskonzept umgesetzt - eine aktive Kühlung, platziert
am Heck des Fahrzeugs, welche eine
optimierte Anströmung des Heck- und
der Seitenflügel ermöglicht und sich in
höheren Abtriebswerten niederschlägt.
2015 - flüela
«gotthards» Zellpakete
Akkus
Anhand eines virtuellen Fahrzeugmodells,
welches
die
einzelnen
dynamischen
Disziplinen
unter diversen Bedingungen zu
simulieren vermag, wurde der Einfluss
der Energiemenge, des Gewichts und
der Effizienz des Energiespeichers
auf die Performance von «gotthard»
untersucht. Daraufhin wurde eine optimale Energiemenge von 6.3 kWh
bestimmt. Diese erlaubt es, bei minimalem Gewicht hohe Leistungen bereitzustellen und somit schnelle Rundenzeiten zu erreichen.
«gotthard» zieht seine Energie aus
neuen Hochleistungs-Lithium-Polymer
Akkuzellen. Diese übertreffen die Energiedichte der bisher verwendeten Zellen
um 15%. Die Effizienz des Akkus konnte
dadurch um rund 5% gesteigert werden.
Um die optimale Spannung von 418.1 V
für den Antriebsstrang von «gotthard»
zu erreichen, werden 113 Zellen in Serie
geschaltet. Zusätzlich werden jeweils
zwei Zellen parallel geschalten, um die
erforderliche Energie speichern zu können.
Sicherheit hat höchste Priorität: Um
die Temperatur, die Spannung und den
Strom aller 226 Zellen in einem vernünftigen Rahmen zu halten wurde ein
neues Battery Management System
(BMS) in Eigenentwicklung umgesetzt.
Jede Zelle wird dabei von einem kleinen Mikrocontroller überwacht, der den
Status kabellos über Infrarotlicht an die
Auswerteelektronik sendet. Dank dieser
kabellosen Technologie verbessert sich
die Wartbarkeit und Störungsresistenz
der Akkus um ein Vielfaches.
In einem radikalen Packaging Wandel werden die 226 Zellen dieses Jahr
in zwei Akkuboxen untergebracht:
eine vor dem Fahrer am Boden des
Monocoques, die zweite im Heck des
Fahrzeugs. Der Schwerpunkt kann damit um ganze 4mm gesenkt werden.
Gleichzeitig wird das Fahrzeug weniger
träge und erreicht eine verbesserte Gewichtsverteilung. Vor allem aber werden
grosse Freiheiten für das Unterboden
Konzept von «gotthard» geschaffen.
Auch die Gehäuse für die Akkuzellen unterliegen den besonders hohen
Sicherheitsanforderungen des Formula
Student Reglements. Um diese einzuhalten und trotzdem das Gewicht unter
Kontrolle zu behalten, kommt eine clevere Kombination moderner Materialien
und Materialeigenschaften zum Einsatz.
Gepaart mit dem Know How des AMZ
im Bereich leichter Kompositstrukturen
resultieren zwei leichte, hochstabile, feuerfeste und isolierende Konstruktionen
mit einer Wandstärke von nur 1.9 mm.
2015 - flüela
«gotthards» Nervensystem: der Sensor-Kabelbaum
Elektronik
Die Fahrzeugelektronik agiert als
Nervensystem von «gotthard», denn
erst durch sie wird die Kommunikation
aller Systeme möglich gemacht: Aufbereitung von Sensordaten, Ansteuerung
der Aktoren, Aktivierung von diversen
Sicherheitsmechanismen.
Die neuen Mini-CAN Module (MCM)
konnten im Vergleich zum Vorgängermodell auf ein Viertel der Fläche reduziert werden. Durch die kleineren
Leiterplatinen wird die Platzierung im
Fahrzeug erleichtert. Des Weiteren ist
es möglich, für die Ansteuerung der adaptiven Dämpfer zwei Module auf einer
Leiterplatine zu verwenden. Dank der
doppelten Rechenleistung und einer
weiter optimierten Ansteuerung können
die adaptiven Dämpfer noch schneller
geregelt werden - «gotthard» gewinnt
an Agilität.
Neben dem Fahrzeug an sich spielen die Fahrer eine entscheidende Rolle.
Um sie besser auf die Rennen vorzubereiten wird die Telemetrie um einen Video Livestream ergänzt. Der Zweitfahrer
kann sich bereits während der Fahrt des
ersten Fahrers auf die Strecke einstellen und schwierige Passagen frühzeitig
erkennen und einprägen. Durch diese
neue Perspektive ergeben sich ausserdem spannende Möglichkeiten beim
Testen.
Neben dem innovativen Battery Management System (BMS) im High-Voltage-Akku wurde auch das Low-Voltage
(LV) System durch ein neues BMS ergänzt. Mit diesem lässt sich erstmals
der Stromverbrauch in Echtzeit auslesen, wodurch die benötigte Grösse des
LV Akkus exakt bestimmt werden kann,
um auch hier Gewicht sparen zu können.
2015 - flüela
Analyse der Reifenperformance,
FSA 2015
Beispiel der Datenanaylse
Regelung
Das Ziel der Fahrdynamik-Regelung
ist es, die maximal mögliche Performance aus «gotthard» herauszuholen. Dank
des Allradantriebs kann für die Longitudinalperformance eine Traktionskontrolle, für die Lateralperformance Torque
Vectoring eingesetzt werden.
Um die aktuelle Fahrsituation zu
beschreiben und darauf reagieren zu
können, ist eine Vielzahl von Sensoren
verbaut. Für die Kommunikation der
Sensoren untereinander sowie mit der
Vehicle Control Unit (VCU) wird das
Bussystem CAN verwendet.
Die Traktionskontrolle maximiert
die Haftung der Reifen, indem auf die
optimale Schlupfrate geregelt wird.
Dadurch wird die maximale longitudinale Beschleunigung herausgeholt.
Während in den vergangenen Jahren
die Winkelbeschleunigung als Regelgrösse verwendet wurde, wird in «gotthard» eine omega-Regelung implementiert. Dies entspricht der Verwendung
der Winkelgeschwindigkeit als Regelparameter. Dadurch kann die Regelung
auf die Schlupfrate exakter realisiert
werden. Die Traktionskontrolle läuft dabei auf zwei Systemen. Während der
rechenintensive Teil auf der VCU verarbeitet wird, regelt der Motorenkontroller
die Motoren, um der schnellen Dynamik
der Reifen gerecht zu werden.
Durch einen Betrieb der Motoren als
Generatoren kann «gotthard» Bremsenergie rekuperieren, sprich in elektrische Energie umwandeln und zurück
in die Akkus speisen. So kann etwa die
Hälfte der initial gespeicherten Energie
rückgewonnen und der Energiespeicher entsprechend kleiner dimensioniert
werden.
Um die Datenanalyse zu verbessern,
wird zum ersten Mal ein GPS Sensor
eingesetzt, welcher eine exakte Rekonstruktion der abgefahrenen Rennstrecken erlaubt. In Kombination mit anderen Sensordaten kann somit das
Fahrverhalten des Fahrers sehr genau
analysiert werden. In Verbindung mit einem selbst entwickelten Datenanalysetool wird die Datenauswertung optimiert
und die Test-Effizienz gesteigert.
Ein herzlicher Dank geht an alle unsere Partner und Unterstützer. Dank Ihrer treuen und kompetenten Unterstützung haben wir jedes Jahr die einmalige
Gelegenheit, ein technisches Produkt
auf höchster Ebene zu entwickeln und
in die Praxis umzusetzen. Dabei bauen
wir jedes Jahr nicht nur auf den technischen Erfahrungen des Vorjahres auf,
sondern auch auf einem breiten Netzwerk an Beratern, Fertigungspartnern
und Gönnern. Diese starke und stetig
wachsende Basis gibt uns das Vertrauen, die Grenzen des technisch mög-
lichen jedes Jahr zu erweitern und ist
ein Eckpfeiler in der Entwicklung des
Vereins in den letzten zehn Jahren. Wir
freuen uns sehr, Ihnen das Resultat von
einem Jahrzehnt Fortschritt sehr bald
an unserem Rollout persönlich präsentieren zu dürfen.
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