Open Source Forschung gewinnt im Maschinenbau zunehmend an Bedeutung, da sie den Zugang zu leistungsfähigen Entwicklungswerkzeugen unabhängig von proprietären Lösungen ermöglicht. In diesem Beitrag wird ein vollständiger Entwicklungs- und Analyseprozess eines Doppelquerlenker Fahrwerks auf Basis von Open Source Software vorgestellt.
Die Konstruktion der Bauteile erfolgt mit FreeCAD, während die strukturelle Bewertung mittels Finite Elemente Analyse in PrePoMax unter Verwendung des CalculiX Solvers durchgeführt wird. Ziel dieser Open Source Forschung ist es, zu zeigen, wie Ingenieure komplexe mechanische Systeme effizient entwickeln, simulieren und bewerten können, ohne auf kostenintensive Software angewiesen zu sein.
Der Fokus liegt dabei auf der strukturellen Auslegung, der realitätsnahen Simulation von Belastungen sowie der Bewertung von Verschiebungen und Spannungen im Fahrwerkssystem.
Dieses Projekt wurde von Anup Vanjarapu, einem Masterstudenten and der Hochschule Stralsund, im Rahmen des studiumbegleitenden Praktikums bei ALSADO ertellt.
1 Federsystem
Das Doppelquerlenker Fahrwerk ist eine unabhängige Radaufhängung von Fahrzeugen, bei der zwei, gelegentlich parallel angeordnete, querlenkerförmige Arme zur Positionierung des Rades verwendet werden.
Jeder Querlenker besitzt zwei Befestigungspunkte am Fahrgestell sowie ein Gelenk am Achsschenkel. Stoßdämpfer und Schraubenfeder sind an den Querlenkern montiert, um die vertikale Bewegung zu kontrollieren. Doppelquerlenker Konstruktionen ermöglichen es dem Ingenieur, die Bewegung des Rades über den Federweg sehr präzise zu steuern und dabei Parameter wie Spurverlauf, Sturzwinkel, Nachlaufwinkel, Rollzentrumshöhe, Lenkrollradius und Reibverhalten gezielt zu beeinflussen.
2 Konstruktive Auslegungsüberlegungen des Fahrwerks
Bei der Auslegung des Fahrwerksmoduls wurden mehrere grundlegende Parameter berücksichtigt, um eine geeignete Steifigkeit, Nachgiebigkeit und Dämpfung sicherzustellen.
2.1 Bewegungsverhältnis (Motion Ratio, MR) oder Einbauverhältnis
Das Bewegungsverhältnis beschreibt die geometrische Beziehung zwischen Radweg und Feder oder Dämpferweg. Wenn sich beispielsweise das Rad um 50 mm bewegt, während sich die Feder um 25 mm zusammendrückt, beträgt das Bewegungsverhältnis 0,5. Dieser Faktor ist entscheidend, da er die effektiven Dämpferkräfte und die Radsteifigkeit direkt skaliert und somit das Fahrverhalten sowie den Fahrkomfort beeinflusst.
2.2 Auslegung von Torsionsfeder oder Torsionsstab
Ein Torsionsstab liefert die Federsteifigkeit basierend auf seiner Geometrie und seinen Materialeigenschaften. Die Steifigkeit kθ in Nm pro rad wird berechnet als:
kθ = π · G · D⁴ / (32 · L)
Dabei ist D der Durchmesser, L die Länge und G der Schubmodul. Die entsprechende Radsteifigkeit wird näherungsweise bestimmt durch:
kw ≈ kθ / R²
wobei R den Radius des Hebelarms darstellt.
2.3 Nachgiebige Bandfeder oder Blatt oder Biegefeder
Anstelle von Schraubenfedern können flache Federstahlbänder in einer Z oder S Form verwendet werden, um als nachgiebige Mechanismen zu wirken. Zu den Auslegungsregeln gehört, dass die maximale Spannung unter 40 bis 50 Prozent der Streckgrenze gehalten wird, um eine hohe Ermüdungslebensdauer zu gewährleisten. Zudem wird Federstahl, beispielsweise SAE 5160, mit großen Radien verwendet, um Spannungskonzentrationen zu reduzieren.
2.4 Dämpfungsziel
Die Dämpfung wird als Anteil der kritischen Dämpfung ζ eingestellt. Für die meisten Fahrzeugfahrwerke bietet ein Bereich von ζ = 0,2 bis 0,4 ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Komfort und Stabilität. Die Dämpfung kann über Drehdämpfer, die an Umlenkhebeln angeschlossen sind, oder über in Reihe angeordnete Stoßdämpfer, die durch Pushrods betätigt werden, realisiert werden.
3 Lenkerarm
Das in Abbildung 1 dargestellte Bauteil ist ein Lenkerarm, der in der Fahrwerksbaugruppe verwendet wird. Die Konstruktion besteht aus einer flachen mittleren Platte mit vier zylindrischen Laschen, von denen jede eine Durchgangsbohrung für Bolzenverbindungen enthält.
Das Bauteil wird üblicherweise aus einer Aluminiumlegierung, beispielsweise 6061 T6, gefertigt, da diese ein günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und gute Bearbeitbarkeit bietet. Alternativ kann auch Baustahl verwendet werden, wenn eine höhere Streckgrenze erforderlich ist.
Mit Hilfe der Finite Elemente Analyse kann überprüft werden, ob maximale Verschiebung und Spannung unter den erwarteten Radlasten innerhalb zulässiger Grenzen bleiben. Dieser Lenker ist ein wesentlicher Bestandteil des Fahrwerksystems, um strukturelle Steifigkeit, kontrollierte Gelenkbewegung und eine zuverlässige Kraftübertragung im Betrieb sicherzustellen.
Abbildung 1: 3D CAD Modell eines unteren Querlenkers
Es wurde mit FreeCAD konstruiert und besitzt Gesamtabmessungen von 30 mm × 20 mm × 7 mm sowie Bolzenverbindungen mit Befestigungsbohrungen von Φ6 mm und Φ3 mm.
4 Fahrwerkshalter
Das in Abbildung 2 dargestellte Bauteil ist ein Fahrwerkshalter, der dazu ausgelegt ist, verschiedene Lenker zu verbinden und Lasten innerhalb der Fahrwerksbaugruppe zu übertragen. Die Konstruktion besteht aus einer flachen zentralen Platte mit vier Grundlaschen und zwei erhöhten zylindrischen Aufnahmen, die jeweils Durchgangsbohrungen für Bolzenverbindungen besitzen.
Die Konstruktion verleiht dem Halter die Flexibilität, sowohl untere Querlenker als auch obere Verbindungselemente in einer kompakten Anordnung zu integrieren.
Abbildung 2: 3D CAD Modell eines oberen Querlenkers
Es wurde in FreeCAD mit Abmessungen von 30 mm × 20 mm × 10 mm konstruiert. Das Modell enthält mehrere Befestigungsbohrungen mit Durchmessern von Φ6 mm und Φ3 mm, einen Mittenabstand von 30 mm sowie einen Versatz von 8 mm.
5 Fahrwerksbefestigungshalter
Das in Abbildung 3 dargestellte Bauteil ist ein Fahrwerksbefestigungshalter, der die Querlenker mit dem Fahrgestellrahmen verbindet. Das Bauteil besteht aus zwei zylindrischen Laschen, oben und unten, sowie einer flachen vertikalen Platte mit zwei Befestigungsbohrungen zur Montage am Fahrgestell und zwei Durchgangsbohrungen in den Laschen für Bolzenverbindungen.
Die Laschen dienen als Drehpunkte für die oberen und unteren Fahrwerksarme, um eine kontrollierte Rotation zu ermöglichen und gleichzeitig die Lastübertragung sicherzustellen.
Dieses Bauteil kann aus einer Aluminiumlegierung, beispielsweise 6061 T6, gefertigt werden, wenn das Gewicht minimiert werden soll, oder aus Baustahl, wenn eine höhere Festigkeit erforderlich ist. Dieser Halter stellt ein wesentliches Strukturbauteil des Fahrwerksystems dar und trägt zur Stabilität sowie zur Dauerfestigkeit des Rovers unter dynamischer Belastung bei.
Abbildung 3: 3D CAD Modell eines Fahrwerksbefestigungshalters
Es wurde mit FreeCAD konstruiert und besitzt Gesamtabmessungen von 40 mm × 30 mm. Die Durchmesser der Befestigungsbohrungen betragen Φ4 mm und Φ6 mm bei einem Abstand von 20 mm. Die zylindrischen Laschen sind verstärkt ausgeführt, Ø6 mm bei 9 mm Versatz, um doppelscherige Bolzenverbindungen innerhalb der Fahrwerksbaugruppe zu ermöglichen.
6 Blattartige Bandfeder
Der dargestellte Abschnitt ist ein flaches Federstahlband, das in einer Z oder S Geometrie ausgeführt ist. Es fungiert als nachgiebiger Mechanismus, der sich unter Belastung elastisch verformt und dabei eine kompakte Bauform beibehält.
Im Vergleich zu einer konventionellen Schraubenfeder verteilt eine solche Bandfeder die Spannungen über eine große Fläche, wodurch Spannungskonzentrationen reduziert und die Ermüdungslebensdauer erhöht werden. Abhängig von der Ausführung kann sie lineare oder progressive Steifigkeit bereitstellen und lässt sich einfacher in kompakte Baugruppen integrieren. Sie wird üblicherweise in Roverfahrwerken, Robotergelenken und Versuchssystemen für leichte Fahrzeuge eingesetzt.
Unter Belastung biegt sich die Feder, speichert elastische Verformungsenergie und kehrt nach Entlastung in ihre ursprüngliche Form zurück. Um eine hohe Lebensdauer sicherzustellen, müssen die Spannungen unter 40 bis 50 Prozent der Streckgrenze des Materials gehalten werden. Werkstoffe wie Federstahl, beispielsweise SAE 5160, werden aufgrund ihrer hohen Ermüdungsfestigkeit und Zähigkeit bevorzugt verwendet.
Abbildung 4: 3D Modell einer blattartigen Bandfeder in Z Konfiguration
Es wurde in FreeCAD konstruiert. Die äußere Bohrung besitzt einen Durchmesser von Φ6 mm, die innere Bohrung Φ3 mm, bei einer Wandstärke von 5 mm. Der vertikale Mittenabstand von der Basis zur Befestigungsachse beträgt 32 mm bei einem Versatz von 5 mm am Gelenk.
7 Zylindrische Welle
Das in Abbildung 5 dargestellte Bauteil ist eine zylindrische Welle, die als Drehbolzen innerhalb der Fahrwerksbaugruppe eingesetzt wird. Die Welle verbindet zwei zusammenpassende Komponenten über deren Laschenbohrungen und ermöglicht eine rotatorische Freiheitsbewegung, während gleichzeitig Lasten über das Gelenk übertragen werden.
Mechanisch widersteht die Welle hauptsächlich Scherkräften, die durch Fahrwerkslasten entstehen, sowie lokalen Lagerpressungen an den Kontaktflächen mit den Laschen. Für eine hohe Dauerfestigkeit wird üblicherweise ein Stahl mittleren Kohlenstoffgehalts oder ein legierter Stahl verwendet. Alternativ können Aluminium oder Edelstahl eingesetzt werden, wenn Anforderungen an geringes Gewicht oder Korrosionsbeständigkeit bestehen.
Abbildung 5: 3D CAD Modell einer zylindrischen Welle
Es wurde in FreeCAD konstruiert und besitzt eine Bohrung mit einem Durchmesser von Φ3 mm sowie eine Länge von 30 mm.
8 Zusammengebautes Fahrwerkssystem
Abbildung 6: Zusammengebautes 3D CAD Modell des Doppelquerlenker Fahrwerksystems
Das Modell wurde in FreeCAD zusammengebaut. Es besteht aus oberen und unteren Querlenkern, einem Befestigungshalter sowie einem nachgiebigen Federelement und ist darauf ausgelegt, eine kontrollierte Bewegung sowie eine zuverlässige Lastübertragung innerhalb des Rover Fahrwerks zu gewährleisten.
9 Finite Elemente Analyse der Fahrwerkskinematik
Zur Validierung der strukturellen Integrität der Fahrwerkskinematik wurde eine statische Finite Elemente Analyse unter Verwendung von PrePoMax mit dem CalculiX Solver durchgeführt. Die Geometrie wurde mit tetraedrischen Elementen mit einer Elementgröße von etwa 3 bis 5 mm vernetzt. Als Material wurde Baustahl mit einem Elastizitätsmodul von 210 GPa und einer Querkontraktionszahl von 0,3 gewählt.
9.1 Randbedingungen
Um realistische Betriebsbedingungen der Fahrwerkskinematik abzubilden, wurden folgende Randbedingungen im Finite Elemente Modell definiert.
Feste Lagerungen (Referenzpunkte 1 bis 4)
Referenzpunkt 1 an der Fahrgestellbefestigungsplatte wurde in allen translatorischen und rotatorischen Freiheitsgraden vollständig fixiert, um eine starre Verbindung mit dem Roverrahmen darzustellen.
Die Referenzpunkte 2, 3 und 4 wurden über Starrkörperbedingungen mit ihren jeweiligen Kontaktflächen gekoppelt, um eine korrekte Lastübertragung an den Gelenkverbindungen sicherzustellen. Diese Bedingungen verhindern eine freie Starrkörperbewegung des Modells und ermöglichen gleichzeitig eine realistische Verformung der Struktur.
Kontaktinteraktionen
Zwischen angrenzenden Bauteilen, beispielsweise zwischen Laschen und Bolzenoberflächen, wurden Kontaktpaare definiert. Dadurch wird eine realistische Kraftübertragung innerhalb der Baugruppe gewährleistet. Diese Modellierung erfasst lokale Spannungskonzentrationen an den Bolzenverbindungen und an den Laschenradien.
Aufgebrachte Last
Am oberen Hebeldrehpunkt wurde über Referenzpunkt 2 eine konzentrierte Kraft in vertikaler Richtung aufgebracht. Diese simuliert die effektive Radlast, die in die Fahrwerkskinematik eingeleitet wird.
Die Größe dieser Kraft entspricht dem erwarteten Betriebsfall eines einzelnen Radmoduls des Rovers.
Diese Randbedingungen stellen sicher, dass die Simulation die realen physikalischen Randbedingungen des Fahrwerks korrekt abbildet. Das Fahrgestell ist fixiert, die Gelenke verhalten sich wie Bolzenverbindungen, und die Lasten werden an den richtigen Stellen eingeleitet.
Abbildung 7: Finite Elemente Analyse der Fahrwerkskinematik
Die Darstellung stammt aus der PrePoMax Simulation. Gezeigt wird die vernetzte Geometrie mit tetraedrischen Elementen an den Referenzpunkten 1 bis 4. Starrkörperbedingungen wurden an den Befestigungspunkten definiert, und Kontaktpaare zwischen benachbarten Komponenten sorgen für eine realistische Lastübertragung.
10 Verschiebungsergebnisse
Die Verformungsdarstellung ist in Abbildung 8 gezeigt. Die maximale Verschiebung beträgt 0,2286 mm und tritt im Bereich des oberen Lenkerarms am Knoten mit der ID 50228 auf. Der restliche Teil der Struktur weist Verschiebungen von unter 0,2 mm auf.
Die Verformung wurde mit einem Skalierungsfaktor von 37 dargestellt, um die Visualisierung zu erleichtern. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Komponente unter der aufgebrachten Last eine hohe Steifigkeit aufweist und nur eine geringe elastische Verformung im Verhältnis zu ihrer Gesamtgröße zeigt.
10.1 Spannungsergebnisse
Die von Mises Spannungsverteilung zeigt, dass die höchsten Spannungen in den Bereichen der Laschenradien und an den Bolzenverbindungen auftreten, da dort die Lastübertragung am stärksten konzentriert ist.
Die maximale Spannung beträgt:
σmax ≈ 80 MPa
Der Großteil der Struktur weist deutlich geringere Spannungswerte auf. Im Vergleich zur Streckgrenze von Baustahl:
σy ≈ 250 MPa
ergibt sich ein Sicherheitsfaktor von:
SF = σy / σmax = 250 / 80 = 3,1
Die kombinierte Auswertung von Verschiebungen und Spannungen bestätigt, dass die Fahrwerkskinematik für die gegebene Belastung ausreichend dimensioniert ist. Die Verformungen liegen innerhalb akzeptabler Grenzen, und die Spannungen liegen deutlich unterhalb der Streckgrenze des Materials, was einen sicheren Betrieb gewährleistet.
Lokale Spannungskonzentrationen an den Laschen zeigen, dass durch größere Radien oder lokale Verstärkungen die Ermüdungslebensdauer weiter verbessert werden kann.
Abbildung 8: Verschiebungskontur des Doppelquerlenker Fahrwerks
Die Darstellung stammt aus der PrePoMax Simulation. Links oben ist die Farbskala dargestellt. Die maximale Verschiebung von 0,2286 mm tritt am Knoten 50228 auf.
Abbildung 9: Reaktionskraftverteilung im Fahrwerkssystem
Die Darstellung stammt aus der PrePoMax Simulation. Die maximale Reaktionskraft beträgt 2059 N und tritt am Knoten 27345 auf.
Fazit
Die Ergebnisse dieser Open Source Forschung zeigen, dass sich ein Doppelquerlenker Fahrwerk vollständig mit frei verfügbarer Software entwickeln und analysieren lässt. Die Kombination aus FreeCAD für die Konstruktion und PrePoMax für die Finite Elemente Analyse ermöglicht eine durchgängige, nachvollziehbare und reproduzierbare Entwicklungskette.
Die Simulationsergebnisse bestätigen eine hohe strukturelle Steifigkeit sowie eine sichere Auslegung des Systems unter den betrachteten Lastfällen. Insbesondere die geringe Verschiebung und der ausreichende Sicherheitsfaktor belegen die Praxistauglichkeit der Konstruktion.
Darüber hinaus zeigt die Open Source Forschung, dass durch den gezielten Einsatz offener Werkzeuge Innovationsbarrieren gesenkt werden können. Ingenieure, Studierende und kleine Unternehmen erhalten damit die Möglichkeit, hochwertige mechanische Systeme eigenständig zu entwickeln und zu validieren. Damit stellt Open Source Forschung einen wichtigen Baustein für eine unabhängige und zukunftsfähige Produktentwicklung dar.