Formel 1: Ist es möglich, selbst ein kompetitives Fahrzeug zu designen, mit dem Fokus auf der Aerodynamik?

 

Physik  |  Technik

 

Michael Montagna, 2006 | Aadorf, TG

 

Ziel dieses Projekts ist, ein regelkonformes Formel 1-Fahrzeug individuell am Computer zu entwerfen, dessen aerodynamischen Leistung zu verbessern und es mit der Realität zu vergleichen. In einer ersten Phase wurde das Modell mittels CAD erstellt und anschliessend mit CFD-Simulationen optimiert. Die finale Version des Modells, sowie eine reale Ausführung eines aktuellen Formel 1-Autos wurden später in 3D ausgedruckt und in einem selbst konzipierten Windkanal getestet. Die Resultate weisen darauf hin, dass die Entwicklung des eigenen Modells erfolgreich war, da die Werte nicht signifikant vom realen Modell abweichen und diese teilweise sogar übertreffen. In dieser Arbeit wurde jedoch nicht jeder Bereich der Herstellung eines Formel 1-Fahrzeugs miteinbezogen und es müssten weitere Nachforschungen angestellt werden, um zu evaluieren, ob das persönlich entworfene Modell kompetitiv ist.

Fragestellung

(I) Wie weit ist es möglich, selbst ein kompetitives Formel 1-Fahrzeug zu entwickeln, mit dem Fokus auf der Aerodynamik? (II) Ist der finale Prototyp kompetitiv im Vergleich zur Realität?

Methodik

Zuerst wurde das aerodynamische Wissen vertieft und gleichzeitig das technische Reglement der Saison 2023 studiert, dass Fahrzeugdimensionen, Sicherheitsausrüstung und weitere Faktoren definiert. Mit diesen Kenntnissen wurden anschliessend Skizzen erstellt, die mittels des CAD-Programms Onshape in einem 3D-Modell umgesetzt wurden. Danach wurden mit dem CFD-Programm von SolidWorks fortlaufend Simulationen durchgeführt, um die aerodynamischen Aspekte des Fahrzeugs stets zu analysieren und entwickeln. Nachdem die kostenlose Lizenz von SolidWorks auslief, wurde der Entwicklungsprozess mit der Studentenversion des Simulationsprogramms Ansys abgeschlossen. Der finale Prototyp wurde schliesslich im Massstab 1:10 dreidimensional ausgedruckt. Mit einem selbst entworfenen und -gebauten Windkanal wurde der Abtrieb gemessen und anhand dünner Fäden aus Stoff der Strömungsverlauf observiert. Weiterhin, um einen Direktvergleich herzustellen, wurde das öffentliche Modell des Sauber C42 ebenfalls auf dieser Art untersucht, um schliesslich die experimentellen Daten zu vergleichen.

Ergebnisse

Die Entwicklung des eigenen Modells ist gelungen, da die untersuchten Werte für Abtrieb, Druck und Kraft bei der finalen Version am besten waren. Der Strömungswiderstandskoeffizient nahm von 1.6 zu 1.3 ab, was eine Reduktion an Luftwiderstand bedeutet. In der Formel 1 beträgt dieser Wert ca. 1.1. Zudem erzeugte der finale Prototyp mehr als das doppelte an Abtrieb als das erste entworfene Modell. Der Windkanal sagte aus, dass das selbst entworfene Modell 2.6 N Abtrieb generierte, 0.3 N mehr als der Sauber.

Diskussion

Die Entwicklung des eigenen Modells dauerte ein Jahr, jedoch standen die Simulationstools insgesamt für knappe 3 Monate zur Verfügung. Trotz dieser Umstände konnte das Fahrzeug so entwickelt werden, dass sich grosse Verbesserungen gezeigt haben, unterschiedliche Konzepte untersucht wurden und auch der Platz für Fehler da war. Insgesamt war das nicht nur für die Modellentwicklung, sondern auch für meine persönliche Entwicklung eine extreme Bereicherung. Das Experiment demonstrierte, wie das eigene Design mehr Abtrieb generiert als ein echtes Modell. Leider sollte man die Messwerte auch kritisch betrachten, da die Experimente und auch die Fertigung der Modelle einiges an Unschärfe mit sich tragen. Eine weitere Einschränkung ist der Massstab der Modelle. In einem Rennstall arbeiten zudem mindestens zweihundert Personen in der Abteilung der Aerodynamik nonstop zur Perfektion. Deshalb ist es unrealistisch, mit dem Fokus auf der Aerodynamik, selbst ein abschliessend kompetitives Formel 1-Fahrzeug zu designen.

Schlussfolgerungen

Dieses Projekt hat einen sehr umfangreichen, persönlichen Lerneffekt mit sich getragen. Des Weiteren war der Entwicklungsprozess erfolgreich. Die Resultate aus dem Windkanal sind ermutigend, da sie zeigen, dass das eigene Modell, zumindest bei diesem Vorgehen, mit dem realen mithält. Leider war die Zeit für die Simulationen zu knapp bemessen. Ausserdem ist der Windkanal mit den Mitteln, die zur Verfügung standen, gebaut worden und besitzt grosses Optimierungspotenzial. Mit dieser Arbeit konnte trotzdem eine bedeutende Basis gelegt werden, die es ermöglicht, sich mit sehr unterschiedlichen Bereichen der Aerodynamik und der Formel 1 zu befassen, nebst der logischen Weiterentwicklung dieses Projekts.

 

 

Würdigung durch den Experten

Leon Hinderling

Michael Montagna hat sich intensiv mit der Aerodynamik im Kontext der Formel 1 auseinandergesetzt und dabei nicht nur die anspruchsvolle Materie gemeistert, sondern auch die Denk- und Arbeitsweise eines Ingenieurs verinnerlicht. Im Zuge seiner Arbeit entwickelte er vier unterschiedliche Rennwagenmodelle mit Hilfe des 3D-Drucks und optimierte diese kontinuierlich. Durch Tests im Windkanal gelang es ihm, sogar das Referenzmodell zu übertreffen. Die beachtlichen Ergebnisse, erzielt mit Enthusiasmus und Einsatzbereitschaft, unterstreichen seine Fähigkeit, theoretisches Wissen praktisch anzuwenden.

Prädikat:

hervorragend

Sonderpreis «Exporecerca Jove – Barcelona Science Fair» gestiftet von der SJf-Trägerschaft

 

Kantonsschule Frauenfeld
Lehrer: Dr. Angelo Lombardi