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Simulation im Motorsport Mehr Fahrspaß mit weniger Masse

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Dank Struktur- und Topologieoptimierung ist es den Ingenieuren von KTM E-Technologies gelungen, den Kipphebel eines Motocross-Motorrads in Leichtbauweise zu gestalten und so höhere Drehzahlen möglich zu machen.

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Spagat zwischen Leistung und Sicherheit gelungen: Die Umgestaltung des Kipphebels der KTM 450 Factory Edition in Leichtbauweise spart Gewicht und erhöht Motorleistung und Lebensdauer.
Spagat zwischen Leistung und Sicherheit gelungen: Die Umgestaltung des Kipphebels der KTM 450 Factory Edition in Leichtbauweise spart Gewicht und erhöht Motorleistung und Lebensdauer.
(Bild: KTM)

Mit seinem niedrigen Gewicht und seiner hohen Leistung benötigt ein Motorrad ein präzise konstruiertes System, das einen besonders großen Spagat zwischen Leistung und Sicherheit bewältigen muss. Gerade im Motorsport ist eine effiziente Motorleistung ein wichtiger Teil dieses Balanceaktes und damit zu einem der Aushängeschilder der Branche geworden. Die letztendliche Motorleistung hängt dabei von vielen verschiedenen Faktoren ab.

Mehr Drehzahl bei gleicher Belastung

KTM E-Technologies GmbH, Spezialist in den Bereichen Automobil und Sport, ist es mit Simulationslösungen von Altair gelungen, einen neuen Kipphebel zu konstruieren, der sowohl ein reduziertes Massenträgheitsmoment als auch eine reduzierte Gesamtmasse bei gleichbleibender Steifigkeit vorweist. Auf diese Weise wird eine Drehzahl-Maximierung möglich, ohne dass höhere Kräfte auf das Bauteil wirken.

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Optimierte Leichtbaukonstruktionen

Mit Fokus auf Leichtbaukonstruktionen nutzt KTM E-Technologies, ein Geschäftsbereich der Pierer Mobility AG, eine Vielzahl an computergestützten Simulationslösungen zur Konstruktion und Optimierung von Bauteilen und elektrischen Systemen. Statische und dynamische Struktursimulationen, Computational Fluid Dynamics (CFD), Fertigungssimulationen, E-Motor- und Betriebsbereichssimulationen sowie Optimierungen gehören zum Werkzeugkasten der Simulationsabteilung.

Um optimierte Bauteile und elektrische Systeme zu entwickeln, greift KTM E-Technologies dabei auf Altair-Lösungen zurück. Damit werden bei KTM E-Technologies strukturoptimierte Bauteile für verschiedene Herstellungsverfahren wie z. B. Verbund-, Schmiede- oder Gusskomponenten entwickelt.

Ziel: Kipphebel für Motocross-Motorrad in Leichtbauweise

Ein Beispiel einer solchen Strukturoptimierung ist die Umgestaltung des Kipphebels der KTM 450 Factory Edition, einem derzeit in den USA erhältlichen Motocross-Motorrad. Gerade in Sportarten, in denen wenige Sekunden den entscheidenden Unterschied ausmachen, bietet die Neukonstruktion von Kleinstteilen enorme Vorteile.

Ein verbesserter Kipphebel erhöht die mögliche Drehzahl und führt zu einer insgesamt verbesserten Motorleistung. KTM E-Technologies nutzte Altair Hyperworks, eine Simulationsplattform mit offener Softwarearchitektur, um die Bauteilstruktur zu optimieren und gleichzeitig von Anfang an die Fertigungsrandbedingungen zu berücksichtigen.

Von der Topologieoptimierung zum Schmiedeverfahren

Im ersten Schritt der simulationsgestützten Strukturoptimierung wurden verschiedene Parameter zur Vorbereitung der Simulationsumgebung festgelegt:

  • Um das Massenträgheitsmoment des vorhandenen Kipphebels zu reduzieren und gleichzeitig die Gesamtsteifigkeit beizubehalten, definierte das Team einen Konstruktionsraum, in dem sich die neue Geometrie bewegen kann.
  • Darüber hinaus wurden in Altair Hyperworks bestimmte Randbedingungen in die Simulation einbezogen, wie beispielsweise eine Reihe verschiedener Kräfte, die auf das Bauteil wirken oder Fertigungsbeschränkungen für die Schmiedearbeiten des Kipphebels.
  • Somit stellten die Konstrukteure sicher, dass ihr Entwurf von Anfang an den wichtigsten Anforderungen entspricht und Verbesserungsbedarf nicht erst nach der Herstellung eines Prototyps erkannt wird, was unnötige Iterationen vermeidet und eine enorme Zeitersparnis in der Produktentwicklung bedeutet.

Die optimale Geometrie finden

Mit all diesen Informationen zur Hand war das Team nun in der Lage, eine Topologieoptimierung mit Altair Optistruct durchzuführen, um die optimale Geometrie für das neu entworfene Bauteil zu finden. Im Anschluss konnten die Ingenieure das Ergebnis der Simulation anhand verschiedener Parameter bewerten, unter anderem das Verformungsverhalten, den Kontaktdruck, die statische Belastung, die Lebensdauer und die neue Masse im Vergleich zum bestehenden Design.

Mehr Motorleistung und längere Lebensdauer

Die neue Version des Kipphebels übertraf alle gesetzten Ziele: Dem Team der Abteilung Struktur und Optimierung war es mithilfe der Simulationsverfahren gelungen, sowohl das Massenträgheitsmoment um 15 % als auch die gesamte Masse des Kipphebels um 21 % zu reduzieren. Gleichzeitig konnte die Steifigkeit um 14 % erhöht werden. Außerdem weist das neue Bauteil einen wesentlich höheren Sicherheitsfaktor für die Lebensdauer auf.

Der ursprünglichen Motivation folgend führten die vorgenommenen Verbesserungen zu einem größeren Drehzahlbereich der Neukonstruktion. Für den in der KTM 450 Factory Edition verwendeten Motor bedeutet dies konkret eine zusätzliche Drehzahlreserve von 150 bis 200 min-1. Insgesamt hat der neue Kipphebel ein erheblich kompakteres Design und verfügt auf der Nockenwellenseite nun über zwei Stege statt nur einem wie bei der bisherigen Konstruktion. Dies ermöglicht eine homogenere und dadurch verschleißärmere Kontaktdruckverteilung und führt so zu einer entsprechend längeren Lebensdauer des Kipphebels.

Altair Hyperworks hat uns mit präzisen Ergebnissen überzeugt. Gemeinsam mit der Vielzahl an Strukturoptimierungs-Werkzeugen sind wir in der Lage, optimierte Bauteile und elektrische Systeme effizient und kostensparend zu entwickeln und zu liefern.

Dr. David Marschall, Group Leader Structure & Optimization, Department Simulation, KTM E-Technologies

Neue Stufe für den Leichtbau

Obwohl Kipphebel grundlegende Komponenten von 4-Takt-Motoren sind und in der Vergangenheit bereits zahlreichen Optimierungen unterzogen wurden, stellte der Einsatz von Optistruct im Rahmen dieses Projekts einen bedeutenden Schritt in Richtung Effizienz und verbesserter Leistung des Motors dar. Durch den Einsatz der Altair-Werkzeuge in Kombination mit dem Expertenwissen von KTM E-Technologies im Bereich Strukturoptimierung können die Ingenieure innovativ designte Leichtbaukonstruktionen entwickeln und es KTM sowie anderen Kunden ermöglichen, zuverlässige High-End Produkte zu liefern, die alle Kundenanforderungen erfüllen.

Strukturoptimierung als integraler Bestandteil im PEP

„Altair bietet uns umfassende Werkzeuge für die Strukturoptimierung“, so Dr. Marschall. „Die Strukturoptimierung mit Optistruct ist integraler Bestandteil unseres Entwicklungsprozesses für Motoren und Fahrwerke und erlaubt uns, sowohl die Optimierungsziele als auch die Randbedingungen exakt anzupassen. Mit der Expertise unserer Kollegen aus der KTM-Motorenentwicklung und mit dem Know-how unserer Ingenieure ermöglichen uns die Altair Simulationswerkzeuge, verschiedene Komponenten zielgerichtet zu optimieren und den Leichtbau auf eine neue Stufe zu heben.“

Die Vorteile von Simulation in der Produktentwicklung

Dieser Anwendungsfall von KTM E-Technologies zeigt, wie Simulationstechnologie nicht nur die Produktentwicklung beschleunigt, sondern auch in der Lage ist, die Entwicklungskosten langfristig zu senken und schnellere Produktanpassungen zu ermöglichen.

Im Zuge der allgemeinen Elektrifizierung hat sich das Unternehmen kürzlich neu ausgerichtet, um sich gezielt den Anforderungen der Elektromobilität zu widmen. Seine Kenntnisse in der Strukturoptimierung wird der Technologieentwickler zukünftig mit neuem Fokus verstärkt für die Strukturoptimierung von Elektromotoren und elektrischen Antrieben nutzen.

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