Windkanal für Modellfahrzeuge

Zusammenfassung

Der Modellautoverein Aigen-Schlägl trat mit dem Auftrag an uns heran, einen Windkanal für seine Fahrzeuge zu entwerfen.

Dieser soll dem Zweck dienen, die Wettkampfleistungen des Vereins weiter zu steigern, indem er genaue Kenntnisse über das Verhalten des Fahrzeugs, insbesondere Bodenhaftung und Fahrwiderstandskraft, liefert.

Der Windkanal sollte zur einfacheren Lagerung in der Nähe der Rennstrecke mit wenig Aufwand in mehrere Teile zerlegbar sein, um vor der Inbetriebnahme wieder zusammengesetzt zu werden.

Aufgrund des begrenzten Budgets des Vereins und der hohen Kosten für einen leistungsstarken Ventilator und die nötigen Messinstrumente wurde kurzfristig gegen eine Fertigung des Windkanals entschieden.

Stattdessen bekamen wir die Aufgabe eine zweite Messstrecke zu entwickeln, da bei der ersten Version aus finanziellen Gründen Vereinfachungen vorgenommen worden waren, welche die Qualität und Genauigkeit der Messungen verringert hatten.

Bei dieser zweiten Version spielte die Finanzierung eine untergeordnete Rolle. Daher wurde sie so konstruiert, dass man bei größerem finanziellen Aufwand mehr Ergebnisse erhält, die zudem noch genauer sind.

Technische Kurzbeschreibung

Beide Modelle sind als beidseitig offene Blechröhren mit unterschiedlichen Querschnitten zu betrachten. So hat der Mittelteil, in welchem sich die Messeinrichtung befindet, einen wesentlich kleineren Querschnitt, was eine höhere Strömungsgeschwindigkeit zur Folge hat.

Die beiden Enden des Kanals haben beide eine spezielle Trichterform, welche das Strömungsverhalten positiv beeinflusst, wobei sich am hinteren Ende ein großer Ventilator befindet, der die Luft durch den Windkanal saugt.

Die Messeinrichtungen der beiden Modelle basieren auf völlig unterschiedlichen Konzepten.

Die erste Messstrecke verfügt über insgesamt fünf Wägezellen. Vier davon messen die Kraft, mit welcher die Räder des Fahrzeugs an den Boden angepresst werden. Zu diesem Zweck kann ihre Position verändert werden, wodurch eine Messung unterschiedlicher Fahrzeuggrößen ermöglicht wird.

Die fünfte Wägezelle misst die Fahrwiderstandskraft, mit der das Modellauto nach hinten gedrückt wird. Dies erfolgt über einen Hebel, der direkt am Fahrzeugheck angreift und am anderen Ende gegen die Wägezelle drückt.

Das zweite System misst mit insgesamt sechs Wägezellen die sechs Freiheitsgrade einer Plattform, auf der sich das Modellfahrzeug befindet.

Die Position des Fahrzeugs auf der Plattform wird durch die Vorderachse definiert, indem die Vorderräder wieder durch elastische Kunststoffriemen befestigt werden.

Durch die sechs gemessen Kräfte der Plattform lassen sich einerseits bei ausgeschaltetem Ventilator das Gewicht und die Lage des Autos und andererseits im Betrieb sämtliche Kräfte und Momente am Fahrzeug errechnen.

Abstract

The model car club Aigen-Schlägl gave us the order to design a wind tunnel for its vehicles.
This should serve the purpose of increasing the competitive benefits of the association by providing detailed knowledge about the effect of the wind on the vehicle, especially focusing on the grip and rolling resistance force.

In order to o simplify storing the wind tunnel near the race track, the wind tunnel can be dismantled into three independent modules, which can easily be reassembled.

Due to the limited budget of the association and the high costs for a powerful fan and the necessary measuring instruments, it has been decided at short notice, that the production of the wind tunnel would be too expensive due to legal reasons.
Instead we were given the task to develop a second test section.
As we had made simplifications to the first version, which were caused by the low budget, we had the chance to focus on the high performance of measuring instruments and high result quality.

Since the financing does not matter in this second version, it’s realisation would cause higher costs than the previous solution, nevertheless it’s providing a higher number of measuring results, which are in addition more accurate.

Brief technical description

Both models are constructed as sheet metal tubes which are open on both sides.
The high wind speed is achieved by changing the cross section. Therefore the middle section of the tunnel has a small rectangular cross section, while the other modules change from small rectangle on one side, to another, bigger cross section on the other side.

The two ends of the channel both have a special funnel shape, which positively affects the flow-behavior. On one end of the tunnel, there is a large fan, which generates the required suction for the air to flow fast enough.

The measuring devices of the two models are based on completely different concepts.
The first wind tunnel has a total of five load cells. Four of them are for measuring the force with which the vehicles wheels are pressed against the floor.

Due to different vehicle sizes, the distances between these measuring points have to be variable.

The fifth load cell is used for measuring the running resistance force with which the model car is pushed backwards. This is done by a lever which receives the force at one end from the rear of the vehicle and thus, at the other end pushes against the load cell.

The second system uses a total of six load cells for measuring the six degrees of freedom of a platform on which the model car is placed.

The position of the vehicle on the platform is defined by attaching the front wheels onto the platform with elastic plastic straps.

Thus the six measured forces allow calculating the position and weight of the car when the fan is turned off. After switching it on, all other forces and torques which are operating onto the model car can also be calculated