Aerodynamik eines Formel1 Frontflügels

Die Aerodynamik ist in der Formel1 eine Schlüsseltechnologie um wichtige Sekunden auf dem Kurs zu sparen und somit vor allen Anderen die Ziellinie zu überqueren. Bei der Entwicklung eines neuen Rennwagens wird zuerst ein Modell am Computer erstellt, welches dann virtuellen Tests unterzogen wird. Erst danach wird ein physikalisches Modell gebaut, das sich im Windkanal beweisen muss.

Im 5. Semester meines Studienganges Verfahrenstechnik/Chemie-ingenieurwesen an der TU Clausthal ist ein sehr interessantes Fach im Studienplan vorgesehen. Dies ist mit dem Namen „Simulationsmethoden in den Ingenieurwissenschaften“ betitelt. In dieser Vorlesung mit anschließender Übung werden die Grundlagen zur Simulation von Bauteilen am Computer vermittelt. Die Software, die zum Einsatz kommt ist ANSYS Workbench 14.5.7. Mit dieser können einfache Beanspruchungen von Bauteilen simuliert und dargestellt werden. Zum Beispiel können Lagerungen gewählt und genaue Lastangriffspunkte definiert werden. Anschließend erfolgt die Visualisierung von Verformungen oder Spannungen innerhalb des Bauteils. Außerdem können Strömungssimulationen um die Bauteile durchgeführt werden, was man sich wie einen virtuellen Windkanal vorstellen kann.

Zum Bestehen der Prüfung müssen Projekte in Gruppen aus drei Personen bearbeitet und die Ergebnisse in Form eines Posters (DIN-A0) vorgestellt werden. Diese Projekte beinhalten jeweils einzelne Inhalte aus den Übungsaufgaben, jedoch mit einem höheren Schwierigkeitsgrad. Um kurz ein paar Beispiele zu nennen, gibt es folgende Aufgaben: Erstellung eines Masten für ein Windrad, Berechnung der Lasten auf das Dach einer Lagerhalle (Wetter), Auftriebsberechnung einer Flugzeugtragfläche, sowie den Entwurf eines Formel1 Frontflügels.

Um unseren Formel1 Frontflügel entwerfen zu können, mussten wir natürlich erstmal die Anforderungen berechnen, die dieser erfüllen muss. Dazu sind die Strecken- und Fahrzeugdaten in der Aufgabenstellung gegeben. Explizit geht es darum eine bestimmte Kurve (130R Suzuka, Japan) mit der vorgegebene Geschwindigkeit von 300 km/h sicher durchfahren zu können. Sicher heißt hier, dass das Fahrzeug nicht durch die Zentrifugalkraft aus der Kurve gedrückt wird. Eine kleine Schwierigkeit ist die Neigung der Kurve, sowie die Reibungsbeiwerte des Fahrzeugs zu betrachten. Ebenso das sich verringernde Gewicht von Runde zu Runde muss betrachtet werden.

Zuallererst muss natürlich, wie fast bei jeder Aufgabe eines Ingenieurs, ein Kräftegleichgewicht aufgestellt werden. Dies haben wir mittels einer Zeichnung verdeutlicht, damit man sich alle wirkenden Kräfte besser vorstellen kann.

Kräftegleichgewicht in der Kurve

Da in der Aufgabenstellung gegeben war, dass der Frontspoiler 25% des gesamten Abtriebs erzeugt, muss dies natürlich in der Berechnung der Mindestkraft berücksichtigt werden. Ebenso, dass wir im Modell die Symmetrie des Frontflügels ausnutzen um nur die Hälfte zeichnen und simulieren zu müssen fließt mit ein.

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Bei unseren Berechnungen sind wir also auf eine Mindestkraft des Abtriebs auf 2305,403 N gekommen. Diese Kraft muss das Modell mindestens als negative Kraft aufbringen, damit die Zentrifugalkraft durch Geschwindigkeit und Masse kompensiert wird und die Kurve sicher durchfahren werden kann.

Mit dieser Information geht es ans Entwickeln von möglichen Lösungsansätzen. Hierzu wird einfach erstmal ein bisschen probiert, welche Veränderungen wie den Abtrieb beeinflussen. Einige Versuche später kommt man dann langsam den gewünschten Werten näher. Natürlich muss man das Rad dabei nicht neu erfinden und kann sich etwas von den derzeitigen Formel1 Frontflügeln inspirieren lassen. Durch ein sehr interessantes Video über die Aerodynamik des Frontflügels von Ferrari haben wir dann unsere Lösung erzielt. Bei der Simulation wurde die benötigte Kraft erreicht.

Modell des Frontflügels

Maximalgeschwindigkeit in der Kurve

Das Modell liefert einen Abtrieb von 2335,1 N und erfüllt somit die Mindestanforderungen. Die Kurve 130R der Rennstrecke in Suzuka, Japan, kann mit diesem Spoiler sicher ab der ersten Runde mit 301,309 km/h durchfahren werden.

Da heute Morgen (06.02.2014) um 11:15 Uhr die Präsentation gehalten wurden, gibt es auch hier für alle Interessierten das Poster.

Aerodynamik eines Formel1 Frontflügels - Poster

Ich hoffe, dass euch dieser Einblick in meine aktuellen Projekte im Studium gefallen hat und würde mich über Kommentare oder Anmerkungen sehr freuen. Auch Wünsche für zukünftige Themen können gerne geäußert werden.

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