Die Motorsport-Experten von Spark Racing Technology benötigten aerodynamisches Know-how mit kurzen Bearbeitungszeiten für das neue Design des vorderen Kotflügels für den FIA Formel‑E Rennwagen.

Das Testgelände für Elektrofahrzeuge

Der Motorsport bietet das High-Tech Testgelände für kommerzielle Fahrzeuge. Elektrofahrzeuge sind die Zukunft der individuellen Mobilität in unsren Städten und auf unseren Autobahnen. Somit ist der Trend zu Hochgeschwindigkeits- und High-Tech Formel-E Rennen eine natürliche Entwicklung, die bereits begonnen hat.

Ein zukunftsweisendes Design für den Formel-E Rennsport passt perfekt zu dieser Bestimmung der Elektroautotechnologie. Gleichzeitig müssen elektrische Rennwagenkonstruktionen einen besonders hohen aerodynamischen Wirkungsgrad aufweisen und trotzdem den Sicherheits- und Herstellbarkeits­anforderungen entsprechen.

Welche Art von Team und welche Art von Technologie sind erforderlich, um die Herausforderungen hinsichtlich Konstruktion, Herstellbarkeit, Sicherheit und aerodynamischem Wirkungsgrad in einem neuen Formel‑E Rennwagen zu kombinieren? Das wäre also ein Team von Fachleuten, die Spezialisten in ihrer jeweiligen Disziplin sind und eng zusammenarbeiten, und ein Team, das mit den besten Tools ausgestattet ist.

Die FIA, Spark Racing Technology und AOTECH haben ein solches Team zusammengestellt.

Die Federation Internationale de l’Automobile, oder FIA, ist der Dachverband für den Motorsport. Darüber hinaus konzentriert sich diese Organisation auf „sichere, nachhaltige und zugängliche Mobilität für alle Verkehrsteilnehmer auf der ganzen Welt“. Eine der Schlüsseltechnologien für nachhaltige Mobilität sind Elektrofahrzeuge. Mehr noch, Elektrofahrzeuge sind die Zukunft der individuellen Mobilität. Und die FIA wollte die Rennwagenkonstruktion für die dritte Saison der Formel-E Rennserie in einer Weise verbessern, die dieser zukunftsweisenden Idee sichtbar Rechnung trägt.

AOTECH und Spark Racing Technology verbünden sich zur Erstellung eines neuen Designs

Spark Racing Technology, die Designer des Formel‑E Rennwagens, standen vor der Aufgabe, dem vorderen Kotflügel des Rennwagens ein neues Design zu geben. Sie wollten einen zukunftsweisenden Entwurf und es musste eine Konstruktion sein, deren Performance jener der vorangehenden Generation von Rennwagen gleichkommt bzw. diese sogar übertrifft. Aufgrund vorgegebener Bearbeitungszeiten, die notwendig waren, um den Rennställen die Rennwagen rechtzeitig für die dritte Saison zu liefern, hatte das Designprojekt nur zwei Monate Zeit für die Fertigstellung.

Um diesen drängenden Zeitplan einhalten zu können wandte sich Spark Racing Technology an die Aerodynamikexperten von AOTECH. Die Teammitglieder von AOTECH und Spark Racing Technology waren Topexperten auf ihren jeweiligen Fachgebieten und konnten den aus früheren gemeinsamen Projekten stammenden Zusatznutzen professioneller Vertrautheit in das Projekt einbringen.

Der Zeitplan erforderte eine enge Kopplung von Umrüstungen, Simulation, Analyse und Feedback für Konstruktionsänderungen. Die Teams von Spark Racing Technology und AOTECH gestalteten den Prozess von Entwurf-CAD-Simulation solcherart, dass er einen reibungsloser Transfer von Konstruktionsdaten, Analyseergebnissen und Änderungsvorschlägen ermöglichte.

Der Aerodynamik-Leiter von AOTECH ist Monsieur Christophe PERRIN. Christophe PERRIN hatte sich bereits in jungen Jahren eine Karriere im Motorsport zum Ziel gesetzt. Er studierte an der ESTACA, einer französischen Hochschule für Ingenieurwesen, die für Ingenieurwissenschaften im Bereich Automobil- und Raumfahrttechnik hochangesehen ist. ESTACA ist dieselbe Universität, an der auch Frédéric Vasseur, der Gründer von ART Grand Prix und Renndirektor 2016 bei Renault Formula 1, studierte. Sein Karriereziel vor Augen studierte M. PERRIN Aerodynamik.

Dieses Karriereziel blieb ihm nicht versagt, da er 2006 einen Platz im ART Grand Prix Team für Formel 3 Rennwagenkonstruktion fand. Der Formel 3 Rennsport bietet nahezu unbegrenzte Möglichkeiten für aerodynamische Konstruktion und stellt zahlreiche unterschiedliche Konstruktions-Zwangsbedingungen. Dadurch bot das Formel 3 Renndesign M. PERRIN ein vielseitiges Betätigungsfeld zur Anwendung seines Könnens im Bereich der Motorsport-Aerodynamik und es wurde ihm die Verantwortung für aerodynamische Auslegung bei ART Grand Prix übertragen.

ART Grand Prix erzielte langjährige Erfolge. Jahr für Jahr waren die Konstruktionen von Erfolg gekrönt. Das ART Grand Prix Team war „zwischen 2004 und 2009 ungeschlagen in den Fahrer- und Teammeisterschaften“ der Formel-3-Euroserie. Im Jahr 2008 nahm das Team der Aerodynamiker von ART Grand Prix die CFD-Software in seinen Analyse-Toolkit auf.

PERRIN wechselte zu AOTECH als das Unternehmen Ende 2010 gegründet wurde. AOTECH ist spezialisiert auf Simulatoren für den Motorsport und externe Aerodynamikstudien. AOTECH Rennsimulatoren werden neben anderen Projekten auch für das Training neuer Fahrer im 24-Stunden-Rennen von Le Mans verwendet. Das Unternehmen erstellt Aerodynamikstudien für zahlreiche Kunden im Autorennsport. Heute zählen auch kommerzielle Autohersteller und Reifenhersteller zu den Kunden von AOTECH.

AOTECH verwendet seit den Anfängen des Unternehmens das STAR-CCM+ Produkt von Siemens PLM Software für externe CFD-Aerodynamikstudien. Ein entscheidender Vorteil für das Unternehmen liegt darin, dass das STAR-CCM+ Produkt einen reibungslosen Arbeitsablauf bei externen CFD-Analysen unterstützt.

Schwierige Anforderungen an Konstruktion und Performance

Ebenso wie im Bereich der Formel 3, in dem M. PERRIN jahrelang tätig war, unterscheiden sich auch im Bereich der Formel‑E die Ziele der aerodynamischen Konstruktion von jenen im Bereich der Formel‑1-Rennwagenkonstruktion. Die primäre Designüberlegung der Formel 1 ist die Andruckkraft. In der Formel‑E ist die aerodynamische Konstruktion auf das Verhältnis zwischen Widerstand und Andruckkraft abgestellt. Dieses ist die Kennzahl des aerodynamischen Wirkungsgrades (Aerodynamic Efficiency Ratio). 

Deshalb war die aerodynamische Performance der neuen Konstruktion von Formel-E Rennwagen extrem wichtig. Die Performance des Kotflügels, sowohl hinsichtlich der Andruckkraft als auch hinsichtlich des Widerstands, war ein entscheidendes Thema. Natürlich war es möglich, ein neues und phantasievolles Design zu kreieren, doch es bestand auch die Gefahr, dass ein solches einen niedrigeren aerodynamischen Wirkungsgrad haben konnte. Das Ziel der Zusammenarbeit von Spark Racing Technology und AOTECH war, sowohl den optischen Anforderungen zu entsprechen, als auch den geforderten Wirkungsgrad zu erzielen.

Für das Projekt waren vier Zwangsbedingungen entscheidend. Die erste Bedingung war die Zeit. Der Zeitplan des Projekts war sehr dicht. Die zweite Bedingung war die Zusammenarbeit zwischen den Expertenteams auf den extrem unterschiedlichen Fachgebieten von Konstruktion und Aerodynamik. Die Dritte Bedingung bestand im aerodynamischen Wirkungsgrad und im Styling des Designs. Die vierte Bedingung betraf die Herstellbarkeit und die Sicherheitsanforderungen der endgültigen Konstruktion.

Diese Bedingungen legten die Voraussetzungen für die Zusammenarbeit zwischen Spark Racing Technology und AOTECH fest. Die Teams der beiden Unternehmen erstellten einen reibungslosen Arbeitsablauf für die Konstruktion. Dieser Prozess floss von dem Spark Racing Technology Designer über das CAD-Modell und über Oberflächenreinigung und Maschung zur Simulation und endete schließlich mit der Nachbereitungsanalyse. AOTECH verwendete das Toolset in STAR-CCM+ und STAR-View+ für alle außerhalb des CAD-Modellierungsprozesses liegenden Schritte. Diese umfassten Vorverarbeitung, Maschung, Simulation, Nachbereitung und Analyse. 

Die Simulation des vorderen Kotflügels war ein komplexes aerodynamisches Simulationsproblem, das 200 Millionen Zellen beinhaltete. Das Team benötigte einen halben Tag für Reinigung, Vorbereitung und neuerliche Maschung des Modells, um eine Simulation zu starten. Die STAR-CCM+ Simulation lief einen weiteren Tag auf dem 128-Core Cluster des Unternehmens. Drei Stunden waren erforderlich für Nachbereitung und Analyse mit STAR-View+. Die beiden Teams studierten die Simulationsergebnisse und deren Implikationen für den Entwurf. Mit dem reibungslosen Arbeitsablauf und dem Technologie-Toolset war die Kollaboration und Kommunikation für die nächste Überprüfung von Konstruktionsänderungen tatsächlich eine der Phasen, die die größten Herausforderungen präsentierten.

Das AOTECH Team arbeitete ohne Pause während der Feiertage zum Jahresende 2015 und stellte die Analyse für Spark Racing Technology im Februar 2016 fertig. Neben den Anforderungen an Herstellbarkeit und Sicherheit erfüllte das zukunftsweisende Design auch die Projektanforderungen hinsichtlich Ästhetik und Performance. Das fachliche Können der Teams, die kollaborative Beziehung und ein reibungsloser technischer Ablauf bildeten die drei Säulen des Erfolgs. Die Herstellung konnte beginnen und die Rennwagen wurden den Rennställen rechtzeitig für die dritte Saison der FIA Formel-E Rennserie geliefert.