Verwendung der Simulation zur Verkürzung der Testdauer bei der aerodynamischen Optimierung von Motorrädern um 90 Prozent

Umstellung traditioneller Enthusiasten auf Elektroantrieb

Obwohl die Wende zu Elektroautos schon weit vorangeschritten ist, hat sich der Markt für Elektromotorräder deutlich langsamer entwickelt. Es ist nicht überraschend, da diese Produkte zwei unterschiedliche Kundengruppen ansprechen. Die meisten Autos dienen in erster Linie dazu, bequem und sicher von A nach B zu kommen, während Motorräder eher eine Leidenschaft darstellen. Den Fahrern geht es um Geschwindigkeit, Gefühl und das Gesamterlebnis jeder Fahrt.

Energica will die Umstellung mit seinem Angebot an leistungsstarken, vollelektrischen Motorrädern beschleunigen. „Für Enthusiasten von Benzinmotorrädern liegt der Schwerpunkt auf dem Lärm und dem Geruch“, sagt Giampiero Testoni, Chief Technology Officer (CTO) von Energica. „Doch der Klimawandel ist eine reale Bedrohung, die niemand ignorieren kann. Wir wollten die neue Generation von Elektromotorrad-Enthusiasten ermutigen, indem wir ihnen das gleiche Leistungsniveau bieten, aber ohne Umweltverschmutzung.“

Beschleunigte aerodynamische Entwicklung

Die Entwicklung eines Hochleistungsmotorrads erfordert nicht nur einen effektiven Antriebsstrang, sondern auch eine fein abgestimmte Aerodynamik. Als Energica mit der Entwicklung von Elektromotorrädern begann, fanden alle aerodynamischen Tests in Windkanälen statt. Dies bot eine ausgezeichnete Leistungsbeurteilung, erwies sich jedoch als kostspielig und zeitintensiv.

Testoni erklärt, dass das Unternehmen eine alternative Lösung finden musste, um weiter wachsen zu können. „Die Markteinführungszeit ist entscheidend“, sagt er. „Wir müssen Windkanäle oft ein Jahr im Voraus buchen und hoffen, dass wir zu diesem Zeitpunkt alles für den Test vorbereitet haben. Die Kosten sind zwar auch ein Faktor, aber am wichtigsten war es, die aerodynamische Optimierung zu beschleunigen, um das Endprodukt früher fertigstellen zu können. Der Markt für Elektrofahrzeuge entwickelt sich deutlich schneller als der für Verbrennungsmotoren – vergleichbar mit dem Markt für Unterhaltungselektronik. Wenn wir unsere Entwicklungszeiten nicht maximal reduzieren können, werden wir den Anschluss verlieren.“

Zur Beschleunigung der aerodynamischen Entwicklung setzte Energica auf die Software Simcenter FLOEFD™ und Simcenter™ STAR-CCM+™ von Siemens Digital Industries Software. Simcenter ist Teil der Siemens Xcelerator Business-Plattform mit Software, Hardware und Services.

„Der ausschlaggebende Grund für die Wahl von Simcenter war, dass wir von Beginn an wussten, dass es eine komplette Palette vernetzter Tools bietet“, erklärt Testoni. „Wenn Sie verschiedene Produkte für Elektronik, Mechanik, NVH und 1D-Simulation haben, wird die Zusammenführung aller Ergebnisse schnell komplex. Das Simcenter-Portfolio macht dies viel einfacher, was für uns sehr attraktiv war. Auch die Möglichkeit, mit einem oder zwei Simcenter Tools zu beginnen und dann nach und nach weitere hinzuzufügen, war sehr hilfreich, als sich unsere Entwicklungsprozesse weiterentwickelt haben.“

Optimierung des Komforts mit Simcenter FLOEFD

Die Motorradmodelle von Energica wurden für unterschiedliche Nutzer entwickelt. Das Energica EsseEsse9+ ist in erster Linie auf den Fahrerkomfort ausgerichtet. Daher war es für die aerodynamische Optimierung entscheidend zu verstehen, wie die Luft auf die Brust des Fahrers wirkt.

Dazu verwendete Testoni Simcenter FLOEFD, um die Auswirkungen von Luftströmungen auf ein vollständiges Modell des Motorrads einschließlich aller einzelnen Komponenten zu simulieren. „Simcenter FLOEFD ist einfach zu bedienen und verfügt über eine hervorragende Integration in 3D-CAD, was eine schnelle und genaue CFD-Analyse von Modellen mit komplexer Geometrie ermöglicht“, sagt Testoni. „Wir konnten sofort sehen, wie sich die Luft auf den Fahrer auswirkte und mit Konstruktionsänderungen experimentieren, um dies zu minimieren.“

Obwohl der Komfort bei diesem Modell im Vordergrund stand, war das Leistungsvermögen immer noch wichtig, sodass das Team sicherstellen musste, dass diese Änderungen das Motorrad nicht wesentlich verlangsamen. Es fügte eine Frontverkleidung, eine höhere Windschutzscheibe und Handprotektoren hinzu, um die Auswirkungen und die Geschwindigkeit des Luftstroms zu reduzieren. Dadurch wurde der Fahrkomfort verbessert, allerdings entstanden auch Luftverwirbelungen im Bereich des Oberkörpers. Um dies abzumildern, nahm es weitere Modifikationen vor, indem es die Seiten der Scheibe absenkte und einen Luftkanal an der Frontverkleidung anbrachte, um den Luftwiderstand zu verringern. Insgesamt wurde der vordere Bereich des Motorrads um 3,7 Prozent vergrößert, und die Simulationen zeigten, dass dies den Fahrerkomfort deutlich verbessern würde. Trotzdem stieg der vordere Luftwiderstandsbeiwert (Cx) nur um 0,6 Prozent, sodass das Motorrad immer noch die erwarteten Höchstgeschwindigkeiten erreichen konnte.

Verwendung von Simcenter STAR-CCM+ zur Optimierung der Geschwindigkeit

Beim MotoE Ego Corsa Renn-Motorrad steht das Leistungsvermögen im Vordergrund. Um die Höchstgeschwindigkeit und die Effizienz zu verbessern, war es wichtig, genau zu verstehen, wie die Konstruktion den Luftwiderstand beeinflusst. Für eine wirksame Simulation war eine direkte Korrelation zwischen den Simulationsdaten und den Ergebnissen aus Windkanaltests erforderlich. Also verwendete Energica Simcenter STAR-CCM+ für die Simulation, um den Windkanal nachzubilden und die realen Tests zu replizieren.

„Sobald wir sicher waren, dass Simcenter STAR-CCM+ den Windkanal genau nachbildet, konnten wir alle unsere Konstruktionsänderungen mit der Simulation testen“, sagt Testoni. „Das bedeutete, dass wir nicht monatelang auf eine Windkanalzeit warten mussten und der Testaufbau war viel schneller und einfacher. Wir waren in der Lage, viel mehr Iterationen in kürzerer Zeit auszuprobieren, was es uns ermöglichte, eine echte aerodynamische Hochleistungs-Konstruktion zu erreichen, das die Höchstgeschwindigkeit und Effizienz maximierte.“

Deutliche Reduzierung von Entwicklungszeit und -kosten

Durch die Verwendung von Simcenter FLOEFD und Simcenter STAR-CCM+ konnte Energica die Entwicklungszeit und -kosten reduzieren. „Da wir jetzt die komplette Simulationsumgebung eingerichtet haben, brauchen wir den Windkanal während der aerodynamischen Entwicklung nicht mehr“, sagt Testoni. „Wir verwenden es nur für die endgültige Validierung des kompletten Motorrads. Der Einsatz von Simcenter FLOEFD und Simcenter STAR-CCM+ hat es uns ermöglicht, unsere Tests zehnmal schneller durchzuführen und die Kosten um etwa das Fünffache zu senken, da wir keine Prototypen mehr bauen, keine Windkanäle buchen und keine tagelangen Ingenieurstunden für die Testvorbereitung aufwenden müssen.“

Testoni schätzte sowohl das von Siemens bereitgestellte Fachwissen für die anfängliche Einrichtung von Simcenter FLOEFD und Simcenter STAR-CCM+ als auch deren kontinuierliche Unterstützung. „Die Schulung war erstklassig“, sagt er. Das Wichtigste war, dass wir von Ingenieuren unterrichtet wurden, die diese Produkte tatsächlich in der realen Welt angewendet haben. Diese Experten beschränken sich nicht auf theoretische Erklärungen, sondern haben die Dinge selbst umgesetzt und dabei die gleichen Herausforderungen erlebt, denen wir gegenüberstehen.

Mehr als nur Motorräder

Mit der Absicht, zusätzliche Tools von Siemens Xcelerator zu implementieren, hat Energica seine Zusammenarbeit mit Siemens unlängst um drei Jahre verlängert. „Simulation ist inzwischen ein grundlegender Teil des Entwicklungsprozesses bei Energica“, erläutert Testoni. „Wir freuen uns auf die weitere Zusammenarbeit mit Siemens, um zusätzliche Tools aus dem Siemens Xcelerator-Portfolio, wie Simcenter Amesim und NX, einzusetzen und damit unsere Produkte zu optimieren.“

Dies wird Energica auch dabei unterstützen, über den Motorradsektor hinaus zu expandieren: „Für unseren neuen Geschäftsbereich Energica Inside wird es essenziell sein, weitere Tools aus dem Siemens Xcelerator-Portfolio zu implementieren“, so Testoni. „Unser Ziel ist es, mit diesem Ansatz unsere Erfahrung und Technologie in unterschiedliche Marktsegmente einzubringen, wie etwa Batterien und Antriebsstränge für elektrische Traktoren, Gokarts, Kleinflugzeuge und Boote. Je mehr Zeit und Geld wir durch den Einsatz der Simulation sparen, desto bessere Produkte können wir schneller auf den Markt bringen, um die Nachfrage unserer Kunden zu befriedigen.“