Das Chassis (oder der Rahmen) ist eine Struktur, die alle anderen Teile des Fahrzeugs lokalisiert und montiert. Es bietet auch einen geschützten Raum für die Insassen.
Chassis-Typen
Es gibt mehrere Arten von Chassis, aber alle können in einen von zwei Ansätzen eingeteilt werden:
- Verwenden Sie Längen von Rund- oder Vierkantrohren oder anderen strukturellen Metallformen, um die Chassisstruktur zu bilden (Space Frame, Multi-Tube, Leiterrahmen)
- Verwenden Sie verbundene Paneele, um die Chassisstruktur zu bilden (Monocoque, Unibody)
Beide Ansätze können eine Struktur bereitstellen, die in der Lage ist, andere Fahrzeugkomponenten zu montieren, aber jede hat ihre eigenen Vor- und Nachteile.
Spaceframe-Chassis
Das Spaceframe-Chassis verwendet zahlreiche geschnittene und geformte Teile von strukturellen Metallrohren (normalerweise Stahl), die zu einem starken Rahmen verbunden sind. Das Diagramm SF1 unten aus Ron Champions Buch „Bauen Sie Ihren eigenen Sportwagen für nur £ 250“ zeigt ein Beispiel für ein Space-Frame-Chassis.
Diagramm SF1. Spaceframe Chassis für ein „Lowcost“ Auto. Aus Ron Champions Buch „Bauen Sie Ihren eigenen Sportwagen für nur £ 250 und fahren Sie damit!“,
Das Prinzip des Spaceframe-Designs besteht darin, die Triangulation der Rohre zu verwenden, um eine starre Struktur zu erzeugen. Die folgenden Diagramme SF2 und SF3 zeigen, wie die Triangulation zur Versteifung einer Struktur verwendet wird:
Diagramm SF2. Eine untriangulierte Box (eine ihrer Seiten fehlt) lässt sich leicht verziehen.
Eine nicht triangulierte Box hat sehr wenig Stärke. Sie können dies oben in Aktion sehen. Wenn die Hand gegen die Ecke der Box drückt, verzieht sich die Form zu einem Parallelogramm.
Wenn wir nun die Box mit einem Rohr kreuzen oder triangulieren, wird die Festigkeit stark erhöht:
Diagramm SF3. Ein Kasten mit einem Querträger bildet zwei Dreiecke (rot dargestellt) und soll trianguliert sein. Die auf die Box ausgeübte Kraft versucht, den Querträger auseinander zu ziehen.
In Diagramm SF3 oben wird das Rohr unter Spannung gezogen, als ob die Ecken der Box, an der es befestigt ist, versuchen würden, es auseinander zu reißen. Wegen der Stärke des Rohres in der Spannung, verformt sich der Kasten nicht in das Parallelogramm des Diagramms SF2
Triangulation kann mit Rohren in der Kompression auch arbeiten. Jedoch hat der ideale Entwurf immer die Mitgliedsrohre, die in der Spannung arbeiten, die weit überlegene Stärke den Rohren zur Verfügung stellt, die in der Kompression arbeiten.
Diagramm SF4 unten zeigt, wie die aufgebrachte Last nun versucht, das Rohr zu zerdrücken oder zu komprimieren, anstatt es auseinanderzureißen. Aufgrund der verringerten Druckfestigkeit kann das Knicken zu einem Problem werden.
Diagramm SF4. Eine triangulierte Box. Die auf den Kasten ausgeübte Kraft komprimiert den Querträger und knickt ihn möglicherweise ein, wenn die Kraft ausreicht..
Zurück zu Diagramm SF1 gibt es in diesem Diagramm zahlreiche Beispiele dafür, wie offene Kastenrohrstrukturen trianguliert wurden, um ein viel steiferes Chassis zu schaffen. Das Diagramm zeigt auch die Aufhängung und andere Halterungen.
Spaceframes verwenden normalerweise quadratische oder runde Rohre. Vierkantrohr ist einfacher zu bearbeiten, da das Schneiden gerade Schnitte in einem bestimmten Winkel beinhaltet. Rundrohre stoßen nicht gut gegen andere Rundrohre an und erfordern daher einen speziellen Rohrkerber, um runde Formen darin zu schneiden.
Der Schlüsselaspekt des Spaceframe-Designs besteht darin, die zu erwartenden Lasten zu identifizieren und zu analysieren und den Rahmen und die Triangulation so zu gestalten, dass diese Lasten optimal gehandhabt werden können. Da Schläuche in Spannung eine höhere Festigkeit als Kompression bieten, kann ein leichterer Schlauch in spannungsbelasteten Bereichen verwendet werden, um Gewicht zu sparen. In den Bereichen, in denen Schläuche Kompressionsbelastungen sieht, ist möglicherweise ein schwereres Messgerät oder Schläuche des größeren Durchmessers besser zu verwenden.
Monocoque-Chassis
Das Monocoque-Chassis ist technisch eine Verbesserung gegenüber dem Spaceframe-Chassis. Diagramm MC1 unten zeigt ein einfaches Beispiel für den Unterschied zwischen Spaceframe und Monocoque-Design.
Diagramm MC1. Vergleich des Verhaltens eines Monocoque mit einem Spaceframe unter Zugbelastung.
Die Monocoque- „Box“ auf der linken Seite verwendet eine Materialplatte, um die Box strukturell zu „vervollständigen“. Wenn die Hand in Richtung des grünen Pfeils dagegen drückt, erzeugt sie eine Scherkraft über die Platte. Diese Kraft wird effektiv auf die gleiche Weise gehandhabt, wie eine Zuglast von der Spaceframe-Triangulationsbox rechts gehandhabt wird. Wenn die Hand jedoch von der anderen Seite der Box drücken würde, könnte das Spaceframe-Rohr möglicherweise bei Kompression kollabieren, während sich die Monocoque-Box genauso verhalten würde wie zuvor. Siehe Diagramm MC2 unten:
Diagramm MC2. Vergleich des Verhaltens eines Monocoque mit einem Spaceframe unter Kompressionsbelastung. Beachten Sie das überlegene Zuglasthandling des Monocoque und das minderwertige Drucklasthandling des Spaceframe.
Beide Arten von Chassis können genauso stark wie jeder andere gemacht werden. Um jedoch einen Raumrahmen mit gleicher Festigkeit herzustellen, ist im Allgemeinen mehr Material und daher mehr Gewicht erforderlich. Auch die verwendeten Materialien machen einen großen Unterschied.
In Diagramm MC3 unten würden sowohl die Monocoque- „Box“ links als auch die vollständig triangulierte Spaceframe- „Box“ rechts Lasten auf die gleiche Weise handhaben (Wir haben die Rückseite der Spaceframe- „Box“ weggelassen, um das Diagramm nicht visuell zu komplizieren)
Diagramm MC3. Monocoque-Box und „äquivalenter“ triangulierter Spaceframe. (Rückseite des Spaceframe nicht gezeigt Diagramm Klarheit zu halten.)
Obwohl das Monocoque normalerweise leichter und stärker als ein Spaceframe hergestellt werden kann, hat es einige Nachteile, die das Design, den Bau und den Betrieb komplizierter machen.
Erstens erfordert das Monocoque, dass die von den Paneelen gebildete Struktur „vollständig“ ist. Wenn Sie die „Box“ in Diagramm MC3 beobachten, mit der wir das Monocoque demonstriert haben, stellen Sie sich vor, dass eine Seite davon fehlt, wie in Diagramm MC4 unten gezeigt:
Diagramm MC4. Unvollständiges Lasthandling durch ein Monocoque führt dazu, dass es sich verformt und einknickt.
Wir können auf die Ecke der Box drücken, wo sich drei Platten treffen (links gezeigt) und es wird sich nicht (viel) verziehen, sondern auf eine Ecke neben der fehlenden Seite drücken sollte sein und die Box wird knicken (wie rechts gezeigt). Wenn eine Öffnung vorhanden ist, muss das Fahrgestell Lasten über eine tragende Unterkonstruktion aufnehmen.
Ein primäres Ziel beim Monocoque-Design ist es, sicherzustellen, dass es keine unbehandelten Lastpfade gibt, die zum Einknicken der Monocoque-Struktur führen können. Ein geknicktes Monocoque ist nicht besser als ein geknicktes Spaceframe-Rohr.
Bei schlecht gehandhabten Lastwegen kann der Spaceframe fehlerverzeihender sein, da der Rohrdurchmesser und das Stahlmaterial normalerweise einen allmählicheren Ausfall verursachen als ein Monocoque. Es ist jedoch besser, das Chassis zuerst richtig zu konstruieren, als sich darauf zu verlassen, dass allmähliche Ausfälle bemerkt werden.
Dies bringt uns zu einem weiteren wichtigen Punkt beim Monocoque: Wenn es beschädigt ist, ist es im Vergleich zu Spaceframe—Rohren schwer zu reparieren. Es ist auch schwierig, Schäden an einem Monocoque zu erkennen, während verbogene oder gebrochene Rohre leicht zu erkennen sind.
Torsionssteifigkeit
Die Torsionssteifigkeit ist eine Eigenschaft jedes Fahrzeugchassis, die bestimmt, wie viel Verdrehung das Chassis erfährt, wenn Lasten durch die Räder und die Aufhängung aufgebracht werden. Diagramm TR1 unten zeigt das Prinzip.
Diagramm TR1. Drehstarrheit. Je weniger sich das Chassis verdreht, desto verwindungssteifer wird es betrachtet.
Ein Chassis mit viel Verdrehung wird nicht so vorhersehbar handhaben wie eines mit sehr wenig Verdrehung, da das Chassis durch Verdrehen wie eine Verlängerung der Federung wirkt. Die Federung ist so konzipiert, dass die Räder / Reifen den Unebenheiten und Dips der Straße folgen können. Wenn sich das Fahrwerk verdreht, wenn ein Reifen auf eine Unebenheit trifft, wirkt es wie ein Teil der Federung, was bedeutet, dass die Abstimmung der Federung schwierig oder unmöglich ist. Idealerweise sollte das Chassis ultrasteif und die Federung nachgiebig sein.
Die Torsionssteifigkeit wird in lbs-ft/Grad oder kg-m/Grad gemessen. Ein Ende des Chassis (vorne oder hinten) wird stationär gehalten und das andere Ende wird auf einem Punkt ausgewuchtet und über einen Balken verdreht. Diagramm TR2 unten zeigt die Grundidee:
Diagramm TR2. Methode zur Messung der Torsionssteifigkeit.
Chassis-Design-Tipps (1/2)
Modifizieren von Serienchassis
Wenn Sie erwägen, ein serienbasiertes Chassis zu modifizieren, um alternative Aufhängungen, Motoren oder Antriebsstränge zu montieren, sollten Sie die Unibody- (neueres Fahrzeug) oder Leiterrahmen- (älteres Fahrzeug) Strukturen studieren. Die von den Chassis-Designern des Herstellers gebildeten Strukturen haben starke Bereiche, die für Lasten bestimmt sind, und schwache Bereiche, die nicht zum Tragen von Lasten bestimmt sind. Es ist entscheidend, die richtigen Teile der Fahrgestellstruktur zu identifizieren, die geschnitten oder modifiziert werden müssen.
Erwägen Sie, maßstabsgetreue Modelle des Fahrzeugs (wenn Kunststoffmodelle hergestellt wurden) zu verwenden, um die Änderungen zu simulieren, oder 3D-Modellierungssoftware, um dasselbe zu tun. Wenn die Änderungen die Federung betreffen, z. B. das Absenken des Fahrzeugs, modellieren Sie zuerst die neue Federung. Manchmal führt das Absenken des Fahrzeugs bei Verwendung derselben Aufhängungspunkte zu einem schlechten Handling.
Chassis-Modelle bauen
Wenn Sie ein Spaceframe-Chassis mit Balsaholzstäben modellieren, können Sie aus erster Hand sehen, welche Unterschiede die Triangulation zur Steifigkeit eines Chassis macht. Herb Adams, in seinem Buch „Chassis Engineering“ bietet ein ganzes Kapitel über Chassis-Modellierung mit Balsa und Papier. Seine Empfehlung ist ein Modell im Maßstab 1: 12.
Ebenso kann die Verwendung von Pappe, Papier und Klebstoff zum Erstellen von Modell-Monocoques eine sehr lohnende und kostengünstige Lernerfahrung sein. Das Tolle an diesen Materialien ist, dass sie nicht viel Festigkeit haben und so die Verformungen, die Lasten erzeugen, leicht gesehen werden können, wenn Lasten angewendet werden.
Entwerfen Sie das Chassis nach der Aufhängung
Es ist viel einfacher, eine vorläufige Aufhängung gemäß den Regeln und der guten Geometrie zu entwerfen und dann das Chassis so zu bauen, dass es den Aufhängungspunkten und Federn / Dämpferhalterungen entspricht. Siehe unseren Abschnitt „Entwerfen Sie Ihren eigenen Rennwagen“
Betrachten Sie die Lastpfade
Bei einem Chassis geht es nicht darum, Energie zu „absorbieren“, sondern um Unterstützung. Wenn Sie die Platzierung von Rohren in Betracht ziehen, visualisieren Sie die „Lastpfade“ und erwägen Sie die Verwendung von FEA (Finite-Elemente-Analyse-Software), um Lastszenarien zu analysieren. Lastpfade sind definiert als die Kräfte, die sich aus dem Beschleunigen und Verzögern in Längs- und Querrichtung ergeben, die dem Rohr von Glied zu Glied folgen. Die ersten Kräfte, die mir in den Sinn kommen, sind Aufhängungen, aber Dinge wie Batterie und Fahrer belasten die Spaceframe-Struktur.
Maximierung der CG-Platzierung und Fahrzeugbalance
Der Schwerpunkt beeinflusst das Auto wie ein Pendel. Der ideale Platz für den CG ist absolut zwischen den Vorder- und Hinterrädern sowie den linken und rechten Rädern. Wenn Sie den Schwerpunkt vorne oder hinten oder links oder rechts von diesem Punkt platzieren, wird das Gewicht ungleichmäßig übertragen, je nachdem, in welche Richtung sich das Auto dreht und ob es beschleunigt oder verzögert. Je weiter von diesem idealen Punkt entfernt, desto mehr wirkt ein Ende des Autos wie ein Pendel und desto schwieriger ist es, das Handling zu optimieren.
Der CG ist auch höhenabhängig. Wenn Sie einen Motor höher über dem Boden platzieren, erhöht sich der Schwerpunkt und es werden größere Gewichtsmengen übertragen, wenn Sie in Kurven fahren, beschleunigen oder abbremsen. Das Ziel des Fahrzeugdesigns ist es, alle vier Räder gepflanzt zu halten, wenn möglich, um den Grip zu maximieren, so dass alle Teile im Auto an ihrer niedrigstmöglichen Stelle platziert werden, um die CG-Höhe zu senken.
