Het beste van CAD en CAE voor ontwerpen zonder compromis

20 juni 2018

Geric en Femto Engineering vinden optimale constructie van koolstofvezel velgen

Geric is een internationaal opererende onderneming gespecialiseerd in het ontwerpen en produceren van koolstofvezel velgen. In nauwe samenwerking met Femto’s eindige-elementenspecialisten zijn de velgen uitvoerig geoptimaliseerd. Dit heeft geleid tot veel lichtere en sterkere velgen van luxe sportwagens tot en met stadsbussen.

Door de redactie

In de auto-industrie geldt het adagium: hoe lichter de voertuigconstructie, hoe beter. Lichtere constructies sparen energie en hebben een lager verbruik. De kunst is om lichtere constructies ook veilig te maken. Een materiaal dat daarbij onmisbaar is geworden, is de met koolstofvezel versterkte composiet-constructie.
Koolstofvezel is net zo sterk als staal, maar heeft slechts een dertiende van het gewicht. Daarnaast is het mogelijk om met koolstofvezel veel meer organische vormen te creëren, wat ontwerpers meer mogelijkheden geeft en bijdraagt aan het bewerkstelligen van een betere ‘flow’ van krachten. Koolstofvezel wordt al langer gebruikt in carrosserieonderdelen van voertuigen, maar in de laatste decennia worden de dragende constructies zoals van raceauto’s, vliegtuigen en gewone auto’s steeds vaker van met koolstofvezel versterkte composietconstructies gemaakt. In de afgelopen tien jaar zijn er tevens een aantal bedrijven begonnen met de productie van koolstofvezel velgen.

Alle zwakte aangepakt

Het in Loosdrecht gevestigde Geric ontwerpt velgen die koolstofvezel versterkte composietconstructies bevatten. Geric-oprichter en chief technical officer Wiet Huidekoper is geen onbekende in de hoogste regionen van de internationale autosport. Als constructeur staat hij erom bekend om alles aan te pakken wat zwak is – en met succes. Hij heeft meer dan dertig racewagens ontworpen en was medeverantwoordelijk voor twee overwinningen van Porsche op Le Mans. Ook stond hij aan de basis van de ontwikkeling van de GT1 en de Carrera GT. Verder heeft hij raceauto’s ontworpen voor Lola, Dallara, Opel in de DTM en nog veel meer automerken. Huidekoper was al vroeg overtuigd van de potentie van CAD- en CAE-software en heeft deze werkwijze bij diverse bedrijven geïntroduceerd en begeleid.
De kennis en ervaring die Huidekoper heeft opgedaan tijdens zijn indrukwekkende loopbaan is duidelijk terug te zien in de Geric-velgen. Waar concurrenten inzetten op de productie van volledige koolstofvezel velgen hebben de specialisten van Geric een andere aanpak gekozen. Zij maken hybride velgen, waarbij de velgring vervaardigd is uit koolstofvezel en het wielhart uit gesmeed aluminium. Dit heeft een aantal voordelen. Ten eerste kan dankzij het aluminium wielhart en de modulaire constructie van de velg het model eenvoudig aan bijna elk voertuig worden aangepast. Ten tweede treden er geen thermische veranderingen op in de naaf en het wiellager van de auto. Bij een volledig koolstofvezel wiel neemt de temperatuur van de naaf af met circa dertig graden door een gebrek aan warmteafvoer van de carbon velg. Bovendien kan het ‘spaken-beeld’ makkelijk worden aangepast aan veranderende eisen en aan de geldende trends.

koolstofvezel velgen

Geric’s hybride composiet velgen op een Porsche 911-4S.

Gepatenteerd klem-systeem

Er moest uiteraard een oplossing gevonden worden voor de verbinding van het wielhart en de koolstofvezel velgring, omdat koolstofvezel helemaal niet uitzet bij temperatuurstijging, maar aluminium wel. De oplossing voor dit probleem heeft geleid tot een gepatenteerd, zelf centrerend klem-systeem genaamd SCENTES. Het unieke SCENTES-systeem vormt een stabiele verbinding tussen wielhart en velgring en accommodeert de mogelijkheid dat het aluminium kan uitzetten en inkrimpen met temperatuurswisselingen en voorkomt zo spanningen. De Geric-wielen zijn zo’n vijfendertig tot veertig procent lichter dan hoogwaardige aluminium velgen en vele malen sterker! Ze zijn in verschillende maten leverbaar. In de serie sportauto’s en luxe limousines heeft het kleinste wiel (8.75 x 19 inch) een gewicht van 7,6 kilo en het grootste en breedste wiel 9,5 kilo (12.5 x 21 inch). Dit heeft natuurlijk ook te maken met de ‘load rating’ van de velgen.

Wiel als gyroscoop

Het lage gewicht in combinatie met de hoge stijfheid en duurzaamheid levert een aanzienlijke energiebesparing op vanwege het verminderde gyroscopische effect. Wielen zijn in feite gyroscopen, wat zorgt voor de absorptie van extra veel energie bij het accelereren, het nemen van bochten of het remmen. Dit effect wordt vergroot door de immer toenemende wieldiameters van vandaag. Deze verbeterde prestaties als gevolg van de vermindering van de roterende massa verbetert aanzienlijk het rijcomfort, de veiligheid en de algehele prestaties, mede omdat het ‘onafgeveerd gewicht’ betreft.
In vergelijking met het ECE-normverbruik behaalt de Geric-velg energiebesparingen tot acht procent. In vergelijking met lichtmetalen velgen zijn Geric-wielen aanzienlijk meer impact-bestendig, tot tweeëndertig procent. Ook de acceleratiesnelheid van 0 – 100 km/h neemt met circa acht procent toe.

koolstofvezel velgen

Analyses en simulaties

Geric-engineers werken met volle tevredenheid met het SolidWorks 3D-CAD-systeem. Velgen zoals deze ontstaan niet zomaar, naast de eigen kennis en ervaring maakt Geric ook gebruik van externe expertise. Zodoende is Femto Engineering ruim vijf jaar geleden betrokken geraakt bij de ontwikkeling van deze velgen. Femto Engineering is een zogenaamd Computer Aided Engineering (CAE) ingenieurs- en softwarebureau dat alle werkzaamheden omtrent analyses en simulaties voor productontwikkeling voor zijn rekening neemt. Binnen het Femto-team hebben de ingenieurs zich toegelegd op een aantal kernspecialismes zoals FEA, CFD, thermische- en spuitgietsimulaties. Vaak wordt Femto Engineering al vroeg in het ontwerpproces betrokken, zodat adviezen over sterkte en stijfheid kunnen worden meegenomen in de uiteindelijke ontwerpen. Het gebeurt ook dat de engineers van Femto ontwerpen alleen verifiëren volgens een bepaalde veiligheidsnorm of dat ze worden gevraagd uit te zoeken waarom een bestaand product faalt.
Als CAE-partner van Siemens PLM Software levert en ondersteunt Femto Engineering diverse simulatieproducten uit het Simcenter-porfolio (Femap, NX Nastran, Simcenter 3D en STAR-CCM+). Femto Engineering is daarmee als CAE-kennispartner een totaalleverancier. In totaal zijn twintig personen bij Femto Engineering werkzaam op locaties in Delft en Münster (DE). De voornaamste markt van Femto Engineering is de Benelux en Duitsland.

koolstofvezel velgen

In vergelijking met lichtmetalen velgen zijn Geric-wielen tot tweeëndertig procent meer impact-bestendig.

Gebruikersscenario’s

Voor Geric heeft Femto Engineering diverse niet-lineaire FE-analyses uitgevoerd om er zeker van te zijn dat de ontwerpen bestand zouden zijn tegen extreme omstandigheden van gebruik op straat en op het circuit wanneer de velgen gemonteerd zouden zijn op een racewagen die meer dan 300 kilometer per uur rijdt. Verschillende gebruikersscenario’s zijn met behulp van simulatiesoftwarepakket Femap/NX Nastran in kaart gebracht. Denk hierbij aan extreem remmen en optrekken, scherpe bochten maken en temperatuurbelastingen. Er is ook een autoband in het model verwerkt om een meer realistische belastingoverdracht van het wegcontactvlak naar de velg te kunnen simuleren. Femto Engineering is daarnaast nauw betrokken geweest bij het optimaliseren van het grensvlak tussen de aluminium spaken en de composietvelgrand.
Simulaties hebben een belangrijke rol gespeeld bij de ontwikkeling van composietmateriaal en hun toepassing in structurele ontwerpen. Klassieke CAD-systemen zijn niet altijd in staat het gedrag van lokaal composietmateriaal nauwkeurig te beschrijven, wat leidt tot onnodig hoge veiligheidsfactoren of verminderd vertrouwen in het ontwerp. De samenwerking tussen Geric en Femto Engineering is gebaseerd op de uitgangspunten: geen compromis op kwaliteit, functionaliteit, esthetiek en produceerbaarheid waarbij zowel de CAD- als CAE-software zo intensief mogelijk wordt ingezet, zodat de maximale potentie uit het materiaal en de constructie kan worden gehaald.
In de toekomst gaat Geric velgen ontwikkelen voor andere toepassingen, zoals bijvoorbeeld vrachtvervoer en stads-bestelauto’s. Naarmate de productiemethode doorontwikkeld wordt en de kosten daarvan afnemen, zullen dergelijke velgen ook voor steeds gewonere auto’s beschikbaar komen en een aanzienlijke bijdrage leveren om met minder energie toe te kunnen.

Website Geric
Website Femto

Comments are closed.