Bessere Rundenzeiten dank optimierter Aerodynamik

Während Flugzeuge Auftrieb benötigen, geht es im Motorsport um Abtrieb. Im Rahmen ihrer Bachelorarbeit am Zentrum für Aviatik haben zwei Maschinentechnik-Absolventen einem Go-Kart zu besserer Bodenhaftung und weniger Luftwiderstand verholfen. Die optimierten Karosserieteile haben die jungen Ingenieure gleich selber im 3D-Drucker angefertigt.

Die Superkart-Serie ist eine Rennkategorie im Go-Kart-Sport. Die Rennen finden auf grossen Rundkursen wie beispielsweise dem Hockenheimring statt und die Fahrzeuge erreichen dabei Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 250 km/h. Walter Brüllmann aus Dinhard landet mit seinem Superkart regelmässig im vorderen Drittel der Rangliste. Um seinen Kart in Bezug auf die Aerodynamik zu analysieren und zu verbessern, hat sich der Rennfahrer an die ZHAW School of Engineering gewandt. „Bei einem Kart mit so wenig Fläche und Verschalung sowie der grossen Silhouette des Fahrers ist die Optimierung der Aerodynamik eine besondere Herausforderung“, so Michel Guillaume, Leiter des Zentrums für Aviatik (ZAV). „Daraus ergab sich die Aufgabenstellung einer Bachelorarbeit zweier Maschinentechnik-Absolventen.“

Mehr Down Force und weniger Widerstand

Die Aerodynamik stellt einen wichtigen Einflussfaktor dar, wenn es darum geht, bei den Rundenzeiten Sekundenvorteile zu erzielen. „Wie bei allen Rennsportfahrzeugen spielt die Down Force, also der Anpressdruck auf den Boden, eine wichtige Rolle“, so Michel Guillaume. „Dabei muss aber auch eine ausgeglichene Balance zwischen Vorder- und Hinterachse herrschen, damit der Fahrer die Down Force in einem Rundkurs gut ausnützen kann und keine Überraschung im Fahrverhalten des Karts erlebt.“ Ebenso ist der Luftwiderstand Teil der Untersuchungen in der Bachelorarbeit gewesen. Denn Widerstand bedeutet Verlust und folglich längere Rundenzeiten bei mehr Benzinverbrauch. Ein Vorteil ist dabei, dass das Reglement der Superkart-Serie viele Freiheiten zulässt – im Gegensatz beispielsweise zur Formel 1. Die Einschränkungen entstehen eher durch die Budgets der Fahrer, die sich meist selbst finanzieren.

Strömungen besser kanalisieren

Im ersten Teil ihrer Bachelorarbeit haben die beiden Studenten den Go-Kart analysiert. Walter Brüllmann stellte dazu bereits bestehende CAD-Modelle seines Superkarts zur Verfügung. Mithilfe der 3D-Scan-Möglichkeiten des Zentrums für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP) konnte das Team fehlende Teile digitalisieren. Mit René Hilhorst von Toyota Motorsport in Köln stand den Studenten zudem ein Experte aus dem Bereich der Rennfahrzeug-Aerodynamik als Berater zur Seite. „Wir haben bei Tests auf dem Flugplatz Kägiswil festgestellt, dass die Strömung der Luft zu wenig kanalisiert wird und uns dann überlegt, wie wir das verbessern können“, so Marc Wild, der die Bachelorarbeit zusammen mit Tarcisi Cantieni umgesetzt hat. „Aufgrund unserer Analyse haben wir schliesslich eine ausführliche Empfehlungsliste mit Massnahmen zur Verbesserung der Aerodynamik am Kart erarbeitet.“ Allerdings reichte der Rahmen der Bachelorarbeit nicht aus, um diese Liste komplett umzusetzen.

Heckflügel und Motorkühlung im Fokus

Die beiden Maschinentechnik-Absolventen konzentrierten sich in erster Linie auf die Optimierung des Hecks. Einen wesentlichen Punkt stellten dabei der Heckflügel und die Luftansaugschächte für die Motorkühlung dar. „Der Kühler im Heck wurde bisher nicht gut angeströmt, wodurch die Motorkühlung ineffektiv war“, erklärt Tarcisi Cantieni. „Zudem war der Flügel am Heck bislang zu breit und hatte keine ideale Anströmung, um optimalen Abtrieb und damit Druck auf die Hinterachse zu erzeugen.“ In einem weiteren Schritt nahmen sich die Studenten die Frontverkleidung vor. „Die Räder waren an der Front nicht im Windschatten, sondern erzeugten Widerstand“, so Marc Wild. „Unsere neuen Seitenteile für den Frontspoiler leiten die Luft um die Räder herum.“ Am ZPP haben die Studenten ihre optimierten Teile mittels Rapid-Prototyping im 3D-Drucker selber hergestellt. Verwendet wurde dazu einfacher Kunststoff. Der 3D-Druck eignet sich aus Kosten- und Verfügbarkeitsgründen optimal für die Herstellung solcher Einzelteile.

Weitere Optimierungen folgen

Das oberste Ziel der Bachelorarbeit war eine Verbesserung der Rundenzeiten des Superkarts. „Wieviel schneller der Kart nun konkret ist, wissen wir zum jetzigen Zeitpunkt leider noch nicht“, so Michel Guillaume. „Walter Brüllmann muss zunächst die neuen Teile am Kart verbauen und die Optimierungen vornehmen, ehe er uns Feedback geben kann.“ Da noch nicht alle Massnahmen der Empfehlungsliste umgesetzt wurden, dürften die Kooperation mit Walter Brüllmann noch länger anhalten und weitere Projekt- oder Bachelorarbeiten folgen. Für die angehenden Ingenieure auf jeden Fall eine spannende Herausforderung und vielleicht für manch einen der erste Schritt zum zukünftigen Aerodynamiker im Motorsport.

Walter Brüllmann wird mit seinem Superkart übrigens am 4. Juli an der Nacht der Technik zu Gast sein. Dort können die optimierten Teile der Studenten aus nächster Nähe betrachtet werden.