Formula Student

Verbindungstechnik für Leichtbaukomponenten

Ende April wurden die ersten Tücher gelupft und gaben den Blick auf die Protagonisten der kommenden Formula-Student-Rennen frei. Mit dabei ist auch das FSE-Team der TU Hamburg-Harburg: Ihr egn16 beeindruckt durch fachmännisch verbaute Hightech-Komponenten und Leichtbauwerkstoffe. Entscheidend hierbei ist die richtige Verbindungstechnik, damit die Boliden halten können, was sich die Teams von ihnen versprechen.

Die bigHead-Befestiger sorgen im Monocoque-Chassis des F-109 für eine sicher verschraubbare Verbindung sämtlicher Bauteile. (Foto: High Speed Karlsruhe)

Das Thema Leichtbau ist nicht nur in der industriellen Fertigung ein aktueller Trend. Die Vorreiter dieser Technologie finden sich seit Jahren in den Rennfahrzeugen diverser Formula-Student-Racing-Teams. An Hochschulen und Technischen Universitäten entstehen in Handarbeit Rennboliden in Leichtbauweise, die mit Elektro- bzw. Verbrennungsmotoren angetrieben werden. Angefangen vom Chassis über die Karosserieverkleidung auf Basis von GFK- und CFK-Werkstoffen bis hin zum Fahrwerk und den Antriebselementen werden alle Komponenten von den Teams selbst gefertigt – abgesehen von wenigen Ausnahmen, wie etwa den Reifen und Dämpfern. Dabei kommt es auf jedes Gramm an – hängt davon doch das Leistungsgewicht ab. KVT-Fastening unterstützt unter anderem die Teams der Hochschulen Augsburg, Karlsruhe und Bochum sowie der TU Hamburg-Harburg mit kleinen, aber bedeutenden Verbindungselementen. Denn sichere, ausreißfeste Schraubverbindungen in den oftmals kerbempfindlichen Materialien und Werkstoffen mit geringer Scherfestigkeit brauchen besondere Befestiger.

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Ein kurzer Rückblick hinter die Werkstatttore zeigt, vor welchen Aufgaben die Studenten bei der Entwicklung ihrer Flitzer standen. So sah sich das Augsburger Racing Team StarkStrom schon letztes Jahr damit konfrontiert, dass in den Werkstoff Kohlefaser kein Gewinde geschnitten werden kann – vor allem nicht in der benötigten Gewindegröße M2.5. Auf der Suche nach einer Alternative wurde das Team bei KVT-Fastening in Form der PEM-Einpressbefestiger fündig, die bereits ab 0,5 Millimetern Blechdicke eingesetzt werden können. Sie sind in Bauteilen der Elektrotechnik und in Sicherheitsbereichen der Fahrzeugtechnik wie Airbags zu finden. Bei StarkStrom kommen die Einpressmuttern unter anderem in der Karosserie sowie bei der Fertigung des Akkus zum Einsatz. Die PEM-Befestiger werden in ein Aufnahmeloch im Werkstück eingesetzt und verdrängen dort den Werkstoff. Dieser Werkstoff fließt durch Kaltverformung in einen Hinterstich im Schaftbereich des Befestigers. Eine Verzahnung oder eine spezielle Kopfform verhindern nun ein Verdrehen des Bauteils. Zudem verursachen die Einpressbefestiger keine Beschädigungen oder Aufwölbungen an der Rückseite des Bauteils.

Verbinden ohne Bohren

In der Hochschule Karlsruhe wurde vergangenes Frühjahr der mit einem Motorradmotor angetriebene Rennwagen F-109 konstruiert. Aus Gewichts- und Stabilitätsgründen entwickelte und fertigte das Team ein Monocoque-Chassis. Für die sichere Verschraubung sämtlicher Bauteile – darunter Lenkgetriebe, Pedalerie und Tank – mit dem verwindungssteifen Rahmen setzten die Studenten auf BigHead-Befestiger. Der Einsatz der Befestigungselemente senkte für das junge Team den Konstruktions- und Fertigungsaufwand, was insbesondere die Vorlaufzeit für die Monocoque-Fertigung verkürzte.

Hier noch verhüllt: der egn16 (Foto: e-gnition Hamburg)

Ihre Leistungsfähigkeit stellten die BigHead-Befestiger auch bei der Hochschule Bochum unter Beweis. Hier entstand in einem Studentenprojekt ein solarbetriebener Elektro-Buggy. Die Herausforderung bestand darin, dass in der Elektro-Box aus Kohlenstofffasergewebe keine Bohrungen angebracht werden konnten. Denn diese hätten sich – vergleichbar wie bei einem Bleistift, bei dem sich das Graphit beim Schreiben abreibt – mit der Zeit vergrößern und dadurch die Konstruktion schwächen können. Die BigHead-Elemente umgehen diesen Effekt und sorgen für einen dauerhaften mechanischen Halt aller elektrischen Komponenten in der Elektro-Box. Darüber hinaus kamen die Befestiger in einer weiteren Box für elektrische Komponenten sowie bei der Solardachfläche zum Einsatz.

Das Prinzip der BigHeads: Auf einem Grundplattenkopf mit Löchern werden Bolzen, Stifte, Muttern und andere Befestigungselemente aufgeschweißt. So können sie beispielweise in Verbundwerkstoffe einlaminiert oder auf Oberflächen sowie in Sandwichmaterialien eingeklebt werden. Ebenso ist die Einbettung in Kunststoffe durch Umspritzung möglich.

Kommen wir zurück zur den Studenten der TU Hamburg-Harburg, die schon letztes Jahr KVT als Sponsor mit im Boot – oder besser im Boliden – hatten. Bei der Konstruktion des egn15 suchten sie eine vibrationssichere Verbindung der einzelnen Akku-Zellen. Ihre Lösung: Sie kombinierten M3-Schrauben mit den von KVT-Fastening gelieferten selbstsichernden elastischen Muttern Serpress. Unter der Wirkung des Anzugsmomentes verformt sich die Mutter elastisch in zwei Richtungen und wirkt in Abhängigkeit dieser beiden Kräfte zueinander wie eine Feder. So sollen im Renneinsatz, selbst bei Vibrationen innerhalb des Akkus, die Zellverbindungen halten. Bei der Montage mussten die Konstrukteure aber darauf achten, dass die Serpress-Mutter größere Reibungsflächen hat als eine Standardmutter und damit ein um 15 bis 20 Prozent höheres Anzugsmoment braucht.

KVT unterstützt das Team auch beim neuesten Modell, dem egn16, der mit seinem Rollout Ende April nun einen großen Schritt in Richtung Wettkampf gegangen ist. Viel Erfolg! cs

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