Formula Student Winkel- und Wegsensoren erfassen wichtige Fahrzeugdaten

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Wesentlich zum Erfolg des Formula Student-Teams der Uni Stuttgart trägt die Elektronik und Sensorik im Fahrzeug F0711-9 bei: Winkel- und Wegsensoren von Megatron leisteten hier einen wichtigen Beitrag zur Erfassung und Auswertung von Fahrzeugdaten.

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Erfolgreiche Saison: 2014 belegte das Rennteam der Uni Stuttgart in der Formula Student Germany und der Formula Student UK den zweiten Platz in der Gesamtwertung.
Erfolgreiche Saison: 2014 belegte das Rennteam der Uni Stuttgart in der Formula Student Germany und der Formula Student UK den zweiten Platz in der Gesamtwertung.
(Bild: FSG, Kimmo Hirvonen)

„Die Messlatte für uns lag hoch“, so Andre Graßmuck, der sich als Gesamtfahrzeugleiter zusammen mit dem 1. Vorsitzenden Manuel Bühler und Alexander Utz (Organisation) die Leitung des Rennteams geteilt hat. „Schließlich hat das Team im Jahr 2013 gleich fünfmal auf dem Siegertreppchen gestanden und als erste deutsche Mannschaft die Ziellinie bei dem Rennen in Michigan als Sieger überfahren.” Das Ergebnis 2014 konnte sich aber auch sehen lassen: So belegte man in der Formula Student Germany und der Formula Student UK den zweiten Platz in der Gesamtwertung.

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Der F0711-9 verfolgte die Hauptkonzepte Leichtbau, Weiterentwicklung der Fahrdynamik sowie eine fortschrittliche Aerodynamik. Neben Verbesserungen in der Konstruktion und dem Einsatz von neuen Werkstoffen versuchte das Rennteam auch die Elektronik des Wagens immer weiter zu verfeinern. Sie ist von enormer Wichtigkeit, steuert sie doch sämtliche Verbraucher wie Anzeigen und Bedienelemente im Cockpit. Die ständige Kontrolle der Sensorwerte über Telemetrie gewährleistet eine sofortige Diagnose und Eingriffsmöglichkeiten im Falle eines Schadens.

Mit den Jahren immer besser

Bereits seit 2005 existiert das Rennteam als eigenständiger Verein an der Universität Stuttgart. Jedes Jahr wird ein Team für die Entwicklung eines neuen Wagens zusammengestellt. Im Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS) hat man 2014 das neunte Formula-Student-Fahrzeug gebaut. Das Augenmerk lag dabei auf der eigenständigen Konstruktion und Herstellung möglichst vieler Komponenten. Dabei konnte das Team auf Daten und Erfahrungswerte der Vorgängerfahrzeuge zugreifen sowie eigens erarbeitetes Fachwissen einbringen. „Für die Arbeit im Rennteam muss man wirklich sehr viel Zeit aufwenden. Dafür gewinnt man auch unglaublich viel Praxiswissen. In unserem eher theorielastigen Studium gibt es dafür sonst wenig Gelegenheit“, erläutert Andre Graßmuck einen Teil seiner Motiviation für diesen Fulltime-Job. Was die besonderen Herausforderungen bei der Konstruktion des F0711-9 angeht, führt er aus: „Die gesamte Konkurrenz liegt vom Leistungsvermögen her aktuell schon sehr dicht beieinander. Da zählen innovative Lösungen natürlich besonders. Die können in neuen Werkstoffen oder technischen Verbesserungen liegen.“

Ein umgebauter Yamaha YZF R6-Motor sorgt im F0711-9 für erhebliche Platzersparnis und deutliche Gewichtsreduktion. Der Hybrid-Rahmen besteht aus kohlenstoffverstärktem Kunststoff (CFK). Einem CFK-Monocoque vorn und einem CFK-Heckrahmen hinten, der zusätzlich die Aerodynamik verbessert. Mit einem Gewicht von unter 180 kg bringt es der Rennwagen mit einer Leistung von 85 bis 90 PS auf eine (gedrosselte) Spitzengeschwindigkeit von 125 km/h. Um auf 100 km/h zu beschleunigen, benötigt er gerade einmal 3,6 Sekunden.

Im Bereich Elektronik kümmerten sich Anish Joshi (M. Sc. Studiengang Fahrzeug- und Motorentechnik) und Roland Herberth (Studiengang Mechatronik) um die anfallenden Aufgaben. Zuverlässigkeit spielt bei der Elektronik eine besonders wichtige Rolle: Alle Verbraucher müssen ständig mit Strom versorgt werden, die Sensoren benötigen ein zuverlässiges Datenübertragungssystem und eine entsprechende Fahrzeugtelemetrie. Ein robuster und möglichst leichter Kabelbaum gewährleistet die elektronische Versorgung. Die Kommunikation zwischen der elektronischen Kontrolleinheit (ECU) und den Sensoren erfolgt durch CANBus mit Hilfe entsprechend programmierter Mikrocontroler. Winkel- und Wegsensoren von Megatron erfassen die aktuelle Getriebestellung und die Bremsbalance.

Visuelle Ganganzeige sorgt für Sicherheit

Um eine visuelle Ganganzeige für den Fahrer zu realisieren, setzte das Rennteam einen linearen Wegsensor MMR10 von Megatron ein. Musste der Fahrer in den Vorläufermodellen noch durch Mitzählen selber bestimmen, in welchem Gang er sich gerade befand, bedeutet die Ganganzeige im F0711-9 eine erhebliche Vereinfachung und zusätzliche Sicherheit. Das vom Motor generierte Drehmoment wird zunächst von der Kurbelwelle auf ein selbst entwickeltes 4-Gang-Getriebe übertragen. Von dort erfolgt die Transferierung über einen Kettenantrieb auf das erweiterte Drexler-Differenzial, welches elektropneumatisch gesperrt werden kann. Mit dem verbauten Linearpotenziometer MMR10 lässt sich die genaue Position des Getriebes bestimmen. Die analogen Signale werden an einen Datenlogger weitergegeben. Dieser fungiert gleichzeitig als Display, so dass der Fahrer jederzeit eine visuelle Kontrolle über den gerade eingelegten Gang hat.

Mit Gehäuseprofil-Abmessungen von 8,2 mm x 7,3 mm ist der Wegsensor MMR10 sehr kompakt und wird u.a. auch in Flugzeugsitzen und in Transportbändern eingesetzt. Eine in zwei Gleitlagern gelagerte Schubstange liegt an einem exzentrischen Drehteil an und nimmt die lineare Bewegung auf. Die Messlängen des Sensors betragen 8, 11, 12 oder 15 mm. Als Ausführung MMR10 ist der lineare Weggeber mit einer Rückstellfeder ausgestattet, aber ebenso gut auch ohne Feder (MM10) erhältlich.

Bis zu 60 Sensoren erfassen in einem Rennwagen die unterschiedlichen Fahrzeugdaten, die in ein Datenerfassungs- und Telemetriesystem einfließen. Andre Graßmuck beschreibt die Anforderungen an die Sensorik in einem Rennfahrzeug wie folgt: „Effizientere und schnellere Autos bedeuten auch weniger Gewicht und eine kompaktere Bauweise. Daher müssen sich die Sensoren zum einen in sehr kleinen Einbauräumen unterbringen lassen, zum anderen ist hohe Zuverlässigkeit gefragt.“

Beide Achsen immer gleichmäßig belastet

In der Bremspedalerie des F0711-9 kommt der Winkelsensor ENA22PM – ein Halleffekt-Absolutwertgeber (Multiturn) – zum Einsatz. Die Serie ENA22PM gestattet die flexible und exakte Parametrierung des Winkelbereiches und des Drehsinnes in der Applikation. Der Zählerstand von bis zu 200 Umdrehungen wird in einem nicht flüchtigen Speicherbaustein abgelegt. Im stromlosen Zustand ist ein Verdrehen von ±179° ohne Verlust des Positionswertes zulässig. Der Absolutwertgeber besitzt eine 12-Bit-Auflösung, eine Update-Rate von 5 ms und einen Analogausgang. Drehsinn, Nullpunkt und Drehwinkel (bis zu 200 Umdrehungen) sind kundenseitig parametrierbar. Der Halleffekt-Sensor übernimmt im F0711-9 eine wichtige Aufgabe bei der Feststellung der Bremsbalance. Sie sorgt maßgeblich dafür, dass das Fahrzeug bei starker Verzögerung nicht ausbricht und kontrollierbar bleibt. Die Bremsbalance wird in den Autos der Formula Student elektronisch mit Hilfe eines Servomotors eingestellt. Seine Positionsänderung wird mit Hilfe des Winkelsensors erfasst. Hier ist der mechanisch endlose Drehwinkel des Sensors von Vorteil. Der erfasste Wert lässt sich über ein Display ausgeben und fungiert als Richtwert für den Fahrer. Mit nur einem Blick kann die aktuell eingestellte Bremsbalance erfasst werden.

Andre Graßmuck ist mit der Leistung seines Teams sehr zufrieden. „Die Arbeit im Rennteam macht schon ungeheuren Spaß, aber den Wettbewerb mit dem selbst konstruierten Auto zu gewinnen, das ist das Beste”, schwärmt der Gesamtfahrzeugleiter.

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