Das Chassis

Entscheidende Größen bei Karosserie und Fahrwerk sind Luftwiderstand und Masse. Beide müssen für das Erreichen großer Reichweiten minimal sein.

Praktisch lässt sich geringerer Luftwiderstand am effektivsten durch reduzierte Geschwindigkeiten realisieren. Um gleiche Bedingungen für alle Teilnehmer zu schaffen, schreibt das Reglement des Shell Eco-Marathons eine minimale Durchschnittsgeschwindigkeit von 30 km/h vor. Diese Geschwindigkeit versucht man möglichst punktgenau zu treffen, was durch Steigungen und Gefälle der Rennstrecke eine entsprechende Fahrstrategie verlangt. Diese muss gegebenenfalls bei Wind, der nach jeder Kurve in verschiedenen Winkeln am Fahrzeug angreift, angepasst werden.

Um den Luftwiderstand bei vorgegebener Geschwindigkeit zu minimieren, ergeben sich Forderungen an die Gestalt der Außenhülle:

  • geringe projizierte Fläche
  • geringer cw-Wert
Bei der Minimierung der projizierten Fläche müssen verschiedene Dinge berücksichtigt werden. Einerseits ist es notwendig Fahrer, Fahrwerk und Antriebsstrang innerhalb der Karosserie unterzubringen; andererseits sind die Sicherheitsbestimmungen des Shell Eco-Marathons einzuhalten.

Reglementbedingte Forderungen sind:

  • minimales Verhältnis Radstand zu Gesamthöhe
  • Überrollbügel zum Schutz des Fahrers
  • von der Fahrgastzelle abgetrennter Motorraum
  • angemessener Wendekreis für Kurvenfahrten und Überholvorgänge
  • für den Fahrer unzugängliche Räder
  • ausreichendes Blickfeld vor, seitlich und hinter dem Fahrzeug

Die Form der Karosserie orientiert sich an der Halbtropfenform. Die Stetigkeit der Halbtropfenform hat einen geringen cw-Wert zur Folge. Basierend auf einem Tonmodell wurden maßstäbliche Skizzen zur Überprüfung verschiedener Anforderungen erstellt. Anschließend wurde ein CAD-Modell der Karosserie erstellt. Dieses enthält Fahrwerk und Karosserie entsprechend des Tonmodells.

Neben Form und Abmessung ist das Fahrzeuggewicht ein Parameter, der den Verbrauch erheblich beeinflusst. Die geringe Fahrzeugmasse ermöglicht es, die Geschwindigkeit auch an Steigungen nahezu konstant zu halten. Um das Fahrzeuggewicht zu minimieren, wurde die Karosserie in Faserverbundbauweise gefertigt. Damit lassen sich bei geringem Materialeinsatz hohe Stabilität und komplexe Geometrien verwirklichen. Für die Karosserie von Sax 1 wurde Epoxidharz (duroplastisches Material) verwendet und es kam ein Nasslaminierverfahren zum Einsatz. Der Faserteil des Verbundmaterials der Karosserie besteht in der obersten Deckschicht aus einem Aramid-Kohlefaser-Hybridgewebe und darunter aus 2 Schichten +-45° Kohlefasergelege. Die verwendete Deckschicht aus einem Carbon-Aramid-Hybridgewebe dient gleichermaßen der Verbesserung der Optik wie der Steigerung der Festigkeit. Im ersten Herstellungsschritt wurde eine Positiv-Form der Karosserie mit horizontaler Trennebene gefertigt. Dazu wurden zwei entsprechend große Quader aus Polystyrolschaum auf einer Koordinatenfräsmaschine entsprechend des CAD-Modells gefräst. Die Oberfläche dieser Freiformkörper wurde in mehreren Arbeitsschritten gespachtelt und geschliffen. Auf diesen Formen basierend wurden Negativwerkzeuge mit einer Wandstärke von 6 mm aus Glasfasergelegen handlaminiert.

Die Herstellung der Carbon-Karosserie erfolgte mittels Handlaminieren in den vorher hergestellten Glasfaser-Negativformen. Beim anschließenden Vakuumpressen wird nach dem Einbringen aller Verstärkungs-und Sandwichelemente die Form mit einer Trennfolie, einem Absaugvlies und einer Vakuumfolie abgedeckt. Mittels einer Vakuumpumpe wird ein Unterdruck erzeugt, welcher bewirkt, dass der äußere Luftdruck wie ein Überdruck wirkt. Dieser presst überschüssiges Epoxidharz aus den Fasern heraus, das durch den Vlies aufgesaugt wird. Der relative Faservolumengehalt wird so erhöht, die Masse gesenkt und die Festigkeit gesteigert. Die an manchen Teilen der Karosserie sehr hohen geforderten Steifigkeiten werden konstruktiv durch die Sandwichbauweise ermöglicht. Der Sandwichaufbau besteht aus kraftaufnehmenden Decklagen (Carbon-Gelege), die vom Kernwerkstoff (PU-Hartschaum oder Wabenstruktur) auf Abstand gehalten werden. In höchstbelasteten Bereichen, z. B. dem Überrollbügel, wurden zusätzlich unidirektional ausgerichtete Fasern eingesetzt.

Verschiedene Funktionselemente, wie z. B. Befestigungspunkte für den Rahmen, wurden in Form von Metallplatten während der Herstellung in die Karosserie integriert. Fenster, Türen und andere Aussparungen wurden anschließend mechanisch herausgetrennt. Die herausgeschnittenen Formteile wurden auf der Innenseite durch Laminieren verstärkt und als Tiefziehwerkzeuge zum Herstellen der Fensterscheiben aus Plexiglas verwendet. Auf diese Weise folgt die Kontur der Scheiben exakt der Geometrie der Karosserie. Als Fahrwerk wurde ein modifizierter Rahmen eines Liegedreirades eingesetzt. Die Position des Fahrers wurde mit Hilfe des CAD-Modells so festgelegt, dass Fahrer, Fahrwerk und Antriebsstrang optimal im Fahrzeug untergebracht sind. Die ermittelte Sitzposition weicht deutlich von der ursprünglichen Sitzposition des Liegerades ab. Durch den konsequenten Einsatz des CAD-Modells war ein Prototypenaufbau zur Ermittlung der Fahrerposition und des Zusammenbaukonzeptes nicht notwendig.

Kennwerte Karosserie und Fahrwerk: cw-Wert: 0,2 Masse Karosserie: 30 kg Masse Fahrwerk: 14,5 kg projizierte Fläche: 0,7 m² (geschätzt)

Faserverbundbauweise

Die ersten bekannten Anwendungen der Faserverbundbauweise sind ungefähr im ersten Jahrtausend vor Christus bei den Ägyptern zu finden. Sie benutzten in mehreren Schichten verklebtes Pergament zur Herstellung von Mumiensärgen. Eine unscheinbare Faserverbundbauweise verbirgt sich ebenfalls im Inneren alter Wände, welche mit Lehme aufgebaut sind. Zur Verstärkung wurde in diese Stroh als Fasermaterial eingebracht. Auch bei Tongefäßen und Ziegelsteinen kam diese Technik zur Anwendung. Bis heute kommt diese Verstärkungsart beim Stahlbeton zum Einsatz. Sehr gebräuchlich ist die Verbundbauweise heutzutage in Span- und Sperrholzplatten und bei der Herstellung von Reifen mit Stahleinlagen. Die moderne Faserverbundtechnologie entwickelte sich parallel mit der Luft- und Raumfahrt und dem Bedürfnis nach gradueller Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger Festigkeitssteigerung. Am Anfang kamen im Flugzeugbau zum Ersatz von Metall ausschließlich glasfaserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz. Diese besitzen allerdings nur eine vergleichsweise geringe spezifische Steifigkeit und können daher für hochbelastete Strukturen nicht eingesetzt werden. Durch ihren niedrigen Preis spielen sie allerdings nachwievor im Bootsbau eine entscheidende Rolle. Weitere inzwischen weit verbreitete Fasermaterialien sind Kohlenstofffasern und Aramidfasern.

Die Zusammenhänge der Faserverbundbauweise sind leicht darzustellen. Durch die Verbindung eines Matrixwerkstoffes mit einem Faserwerkstoff entsteht ein Verbundmaterial. Das Fasermaterial trägt in dieser Verbindung entscheidend zur Verbesserung des Verhältnisses aus Festigkeit und Gewicht bei. Griffith formuliert in den zwanziger Jahren dazu folgenden wichtigen Zusammenhang: "Ein Werkstoff in Faserform hat in Faserrichtung eine vielfach größere Festigkeit als dasselbe Material in anderer Form. Je dünner die Faser ist, desto größer ist ihre Festigkeit." Die Ursache hierfür liegt in einer zunehmenden Gleichrichtung der Molekülketten mit abnehmender zur Verfügung stehender Fläche. Da somit bei gleicher Festigkeit die schwere, feste Komponente eingespart und durch eine leichtere ersetzt werden kann, entsteht ein Werkstoff mit einer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis aus Festigkeit und Gewicht). In einem Verbundwerkstoff sind sehr viele Fasern in hoher Dichte untergebracht. Ihre Fixierung untereinander erfolgt durch das Matrixmaterial, welches die aufgenommen Kräfte von Faser zu Faser überträgt. Die Verbindungsfläche von Faser und Matrix wird als Interface bezeichnet. Die Beschaffenheit des Interface hat zusätzlich zum Faser- und Matrixwerkstoff einen großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundes.

In Abhängigkeit vom Matrixmaterial (Duroplaste, Thermoplaste), der Bauteilform und den angestrebten mechanischen Eigenschaften existieren verschiedene Herstellungsverfahren. Beispielhaft sind hier das Nasslaminieren, die Prepreg-Verfahren und Harzinjektionsverfahren für die Verwendung duroplastischen Matrixmaterials zu nennen. Kommen thermoplastische Werkstoffe zur Realisierung der Matrix zum Einsatz, kann die Herstellung des Verbundes mittels Spritzgieß- oder Pressverfahren erfolgen. Die zugfesten Fasern, die aber aufgrund ihrer Schlankheit sehr biegsam sind, werden durch das Verkleben beim Laminieren am Gleiten aufeinander gehindert. So entsteht aus vielen Lagen von Fasern eine biegesteife und knicksichere Struktur. Die Form des daraus hergestellten Bauteils muss soweit wie möglich geschlossen sein. Es entsteht ein Außenskelett ähnlich dem Chitinpanzer eines Insekts. Nach diesem Prinzip werden auch die Monocoques der Formel-1-Wagen hergestellt.

Der Antrieb

Für den Antriebsstrang eines Fahrzeuges, welches mit geringstem Energieverbrauch auskommen soll, ergibt sich primär die Forderung nach einem höchstmöglichen Wirkungsgrad. Weitere Erfordernisse sind eine kompakte Bauform und die Möglichkeit zur flexiblen Anordnung. Diese Forderungen sind notwendig, um bei der Gestaltung von Fahrwerk und Chassis nur in geringem Maße durch den Antriebsstrang eingeschränkt zu werden. Zudem soll das Antriebskonzept umweltfreundlich und zukunftsweisend sein. Realisiert werden können diese Anforderungen mittels eines Antriebs, dessen zentrale Komponente ein Wasserstoff-Luft-Brennstoffzellensystem ist. Die von der Brennstoffzelle freigegebene elektrische Energie wird zum Betrieb eines Elektromotors genutzt, dieser treibt über eine Kette und eine Nabenschaltung das Hinterrad des Fahrzeugs an. Der Leistungsbedarf des Fahrzeuges ergibt sich aus der Streckencharakteristik, den Luft- und Rollwiderständen und dem Wirkungsgrad aller Komponenten. Für das Fahrzeug der Saison 2005 standen keinerlei Erfahrungswerte und nur wenige Messwerte zur Verfügung, da es sich um das erste Fahrzeug des Teams Fortis Saxonia handelte. Um den Antriebsstrang, insbesondere die Brennstoffzelle und den Motor, zu dimensionieren, war es notwendig, den Leistungsbedarf zu einem Großteil auf Basis guter Schätzwerte zu ermitteln. Die Leistungsabschätzung ergab einen Bedarf von 250 Watt elektrischer Leistung. Für den Anfahrvorgang muss die dem Motor beaufschlagte Spannung durch die Leistungselektronik von 0 bis 24 Volt einstellbar sein. Die Ansteuerung erfolgte über einen speziell entwickelten PWM-Signalgeber mit Drehpotentiometer. Wie sich später bei den ersten Fahrten herausstellte, haben unmittelbare Umwelteinflüsse, wie Temperatur und Luftfeuchte, größere Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle als angenommen. Deshalb konnte die notwendige Leistung in Nogaro zunächst nicht erreicht werden. Erst nach der Anpassung des Brennstoffzellensystems an das Klima war eine erfolgreiche Fahrt mit Sax 1 möglich. Die maximal abgebbare Leistung der Brennstoffzelle wurde durch dauerhaftes Spülen (Purgen) mit Wasserstoff, der über einen Kreislauf entfeuchtet und zurückgewonnen wird, um etwa 40% gegenüber dem Ausgangszustand erhöht. Brennstoffzellensysteme für den mobilen Einsatz sind im Moment nicht weit verbreitet. Die Ursache dafür ist die auf den vergleichsweise hohen Anschaffungspreis bezogene niedrige Lebensdauer der Brennstoffzellen. Außerdem fehlt es vor allem an der Entwicklung von Automobilen, die an einen Brennstoffzellenantrieb angepasst sind. Sax 1 ist für diese Antriebsart ausgelegt und hat nicht zuletzt auch aufgrund der aufgetretenen Probleme in Nogaro wichtige Einblicke in die Problematik "Mobile Anwendung von Brennstoffzellen" gewährt. Dabei spielt auch die Speicherung von Wasserstoff eine wichtige Rolle, die häufig unterschätzt wird: Sax 1 verwendet zur Speicherung einen Metallhydrid-Speicher. Dieser fasst ca. 23 g Wasserstoff bei kleinem Volumen und niedrigem Fülldruck. Der Wasserstoff wird chemisch reversibel im Metallhydrid gelöst. Diese Art von Tank zeichnet sich außerdem durch eine hohe Sicherheit im Falle einer Havarie aus, da er nicht den gesamten Wasserstoffinhalt freigeben, sondern sehr schnell an der Leckage zufrieren würde.

Kennwerte des Antriebsstrangs von Sax 1: Brennstoffzellentyp: Polymermembranenenzelle(PEMFC) Anzahl der Zellen: 25 Elektr. Leistung des BZS: 250 Watt Wirkungsgrad des BZS: 37% Wirkungsgrad Leistungselektronik: 95% Mech. Leistung Motor: 300 Watt Wirkungsgrad Motor: 80% Wirkungsgrad Getriebe: 80% Masse Antrieb (komplett): 21 kg

Ergebnis mit Sax 1 beim Shell Eco-marathon 2005

In Folge des engen Zeitrahmens wurden die ersten Testfahrten erst zwei Tage vor Wettkampfbeginn auf der Rennstrecke in Frankreich durchgeführt. Nachdem die technische Überprüfung des Fahrzeuges erfolgreich bestanden war, konnten erste Trainingsrunden gefahren werden. Sie zeigten, dass die elektrische Leistung, die für die vom Regelement geforderte Durchschnittsgeschwindigkeit von mindestens 30 km/h nötig war, von der Brennstoffzelle nicht bereitgestellt werden konnte. Dies konnte durch Eingriffe im Brennstoffzellensystem vor Ort behoben werden. In den Runden des ersten Wertungslaufes konnte die geforderte Durchschnittsgeschwindigkeit erreicht werden und das Fahrzeug fuhr genau nach der geplanten Fahrstrategie. In der sechsten von sieben Runden kam jedoch das frühzeitige Aus. Die Spannung des Brennstoffzellensystems brach zusammen. Verantwortlich war ein defektes Druckregelventil auf der Wasserstoffseite, dass zu einem einseitigen Überdruck auf die Membranen des Brennstoffzellenstacks und damit zu dessen Ausfall führte. Die spätere Analyse des Stacks ergab, dass die Membranen aller Zellen in Mitleidenschaft gezogen und teilweise sogar geborsten waren. Bis zu diesem Zeitpunkt lag der Durchschnittsverbrauch bei umgerechnet 0,15 l pro 100 km, was einer Laufleistung von 665 km mit einem Liter Benzin entspricht. Dies kann für die erste Teilnahme als Erfolg gewertet werden, da sich das Fahrzeug mit diesem Verbrauchswert im ersten Viertel des Starterfeldes eingereiht hätte.

Elektronisches Gaspedal

Sax 1.1. wurde mit dem vom Kompetenzzentrum Strukturleichtbau entwickelten Gaspedal ausgestattet. Dieses Gaspedal ist mit integrierter Sensorik ausgestattet. Es zeichnet sich durch sein geringes Gewicht und den einteiligen Aufbau aus. Die Hinterradlenkung und das elektronische Gaspedal wurde von den Juroren des Innovation-Awards beim Shell Eco-marathon 2006 mit einem Sonderpreis ausgezeichnet.

Hinterradlenkung

Der Sax 1.1 ist ein Dreirad. Die beiden Vorderräder sind starr mit dem Chassis verbunden. Über das hintere Rad wird Sax 1.1 gelenkt. Die Einradlenkung ist einfacher realisierbar. Zudem braucht sie weniger Platz als eine Zweiradlenkung und die Reibungsverluste sind geringer. Bei zwei gelenkten Rädern entsteht bei Kurvenfahrten immer etwas Schlupf an einem der Räder. Bei nur einem lenkbaren Rad ergibt sich dieses Problem nicht. Praktisch gelöst wird dies bei Sax 1.1 durch einen virtuellen Drehpunkt, der nahe der Mitte des Hinterrades liegt. Das Lenkgestänge überträgt so nur Zug- und Druckkräfte. Wichtig für den Einsatz in Sax 1.1 ist der kompakte Aufbau und eine möglichst geringe Masse. Die Lage des virtuellen Drehpunkts verhindert, dass beim Bremsen Kräfte entstehen, die der Fahrer am Lenkknüppel spüren würde. Die Hinterradlenkung und das elektronische Gaspedal wurde von den Juroren des Innovation-Awards beim Shell Eco-marathon 2006 mit einem Sonderpreis ausgezeichnet. Die Hinterradlenkung vom Nachfolgemodell Sax 2 soll noch leichter und kompakter gebaut werden. Zudem ist bei der aktuellen Variante der Nachlauf zu gering, so dass das Fahrverhalten leicht instabil ist.