Methodische Produktentwicklung eines Lenksystems für ein Formula Student Rennfahrzeug

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist die methodische Produktentwicklung eines Lenksystems für das Formula-Student-Rennfahrzeug EDGE 16 des TU Wien Racing Teams. Aus Teamvorgaben, dem Regelwerk der Formula Student Germany 2025 sowie den Fahrzeugrandbedingungen werden ein Lastenheft und eine prüfbare Anforderungsliste abgeleitet. Darauf aufbauend werden prinzipielle Funktionsmodelle bewertet und in ein umsetzbares Gesamtkonzept überführt. Ein Schwerpunkt ist die modulare, regelkonforme Implementierung des Lenkaktuators für den autonomen Betrieb des Fahrzeugs. Der Aktuator wird über eine gespiegelte Ritzel-Zahnstangen-Anbindung mit dem Lenkgetriebe gekoppelt, und eine axial verschiebliche Kupplung ermöglicht das Ein- und Auskuppeln in Abhängigkeit von der Disziplin. Das Lenkgetriebe im autonomen Betrieb erreicht eine Masse von 917 g und ist damit um 22 % leichter als die Ausführung des EDGE 15.Der zweite Schwerpunkt ist die Neuentwicklung der Lenksäule mit dem Ziel, das Steifigkeits–Masse-Verhältnis mindestens auf dem Niveau der Vorgänger zu halten und gleichzeitig verfügbare Fertigungsressourcen effizienter zu nutzen. Das Kernelement der konzeptionell neuen Lenksäule bildet eine Lenkwelle aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit integrierten Kreuzgelenkgabeln. Die Auslegung erfolgt mittels statischer Baugruppen-Finite-Elemente-Analyse. Auf Basis der Simulation werden ausgewählte Iterationsschritte zur Optimierung dokumentiert. Das finale Design besitzt eine Masse von 414 g und eine Verdrehsteifigkeit von 20,5 N m/◦.Dadurch wird ein verbessertes Steifigkeits–Masse-Verhältnis gegenüber den Vorgängern erreicht, wobei auf additive Verfahren wie Selektives Lasersintern verzichtet wird. Zur Validierung der Simulation sowie zur konstruktiven Absicherung der CFK-Lenkwelle wird ein Prüfstand aufgebaut, und die Lenkwelle wird statisch und zyklisch getestet. Das resultierende Lenksystem erfüllt die definierten Anforderungen und kam in der Formula Student Saison 2025 im Fahrzeug EDGE 16 zum Einsatz.

The objective of this thesis is the methodical product development of a steering systemfor the Formula Student race car EDGE 16 of the TU Wien Racing team. Based on teamspecifications, the Formula Student Germany 2025 rulebook, and the vehicle boundaryconditions, a requirements specification and a verifiable list of requirements are derived.Building on this, principal functional models are evaluated and transferred into an implementable overall concept.o A key focus is the modular, rule-compliant implementation of the steering actuator forautonomous operation of the vehicle. The actuator is coupled to the steering gear viaa mirrored pinion-rack interface, and an axially sliding clutch enables engagement anddisengagement depending on the discipline. In autonomous operation, the steering gearachieves a mass of 917 g and is thus 22 % lighter than the EDGE 15 configuration.The second focus is the redevelopment of the steering column with the goal of maintaining the stiffness-to-mass ratio at least at the level of previous designs while usingTUWR’s manufacturing resources more efficiently.The core element of the conceptually new steering column is a carbon-fibre-reinforcedpolymer (CFRP) steering shaft with integrated universal-joint yokes. The design is carried out using a static assembly finite element analysis. Based on the simulation, selectediteration steps for optimization are documented. The final design has a mass of 414 gand a torsional stiffness of 20,5 N m/. This achieves an improved stiffness-to-weight ratio compared to the predecessors while avoiding additive manufacturing processes suchas selective laser sintering (SLS).To validate the simulation and to structurally substantiate the CFRP steering shaft,a test rig is built and the steering shaft is tested under static and cyclic loading. Theresulting steering system meets the defined requirements and was used in the FormulaStudent 2025 season in the EDGE 16 vehicle.