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antriebstechnik 7/2015

antriebstechnik 7/2015

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Ohne sie läuft nichts Winkel- und Wegsensoren in Rennwagen der Formula-Student Alessandro Ciuffreda Bei den kommenden Rennen will das Formula Student-Rennteam der Uni Stuttgart wieder auf den vorderen Plätzen landen. Eine wesentliche Bedeutung kommt dabei der Elektronik und Sensorik im neuen Fahrzeug F0711-9 zu. Winkel- und Wegsensoren leisten hier einen wichtigen Beitrag zur Erfassung und Auswertung von Fahrzeugdaten. Alessandro Ciuffredal ist Produktmanager Winkel- und Wegsensoren bei der MEGATRON Elektronik GmbH & Co. KG in Putzbrunn „Die Messlatte für uns liegt hoch“, so Andre Graßmuck, der sich als Gesamtfahrzeugleiter zusammen mit dem 1. Vorsitzenden Manuel Bühler und Alexander Utz (Organisation) die Leitung des Rennteams teilt. „Schließlich hat das Rennteam im Jahr 2013 gleich fünfmal auf dem Siegertreppchen gestanden und als erstes deutsches Team die Ziellinie bei dem Rennen in Michigan als Sieger überfahren.” Der F0711-9 verfolgt die Hauptkonzepte Leichtbau, Weiterentwicklung der Fahrdynamik sowie eine fortschrittliche Aerodynamik. Neben Verbesserungen in der Konstruktion und dem Einsatz von neuen Werkstoffen versucht das Rennteam auch die Elektronik des Wagens immer weiter zu verfeinern. Sie ist von enormer Wichtigkeit, denn sie steuert sämtliche Verbraucher wie Anzeigen und Bedienelemente im Cockpit. Auch die Motorsteuerung ist davon abhängig und muss mit Strom versorgt werden. Die ständige Kontrol le der Sensorwerte über Telemetrie gewährleistet eine sofortige Diagnose und Eingriffsmöglichkeiten im Falle eines Schadens. Mit den Jahren immer besser Seit 2005 existiert das Rennteam, ein eigenständiger Verein an der Universität Stuttgart. In jedem Jahr wird ein Team zur Entwicklung eines neuen Wagens zusammengestellt. In Stuttgart hat man im FKFS (Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart) mittlerweile das 9. Formula- Student-Fahrzeug gebaut. Das Augenmerk liegt dabei auf der eigenständigen Kon struktion und Herstellung möglichst vieler Teile. Dabei kann das Team auf Daten und Erfahrungswerte der Vorgängerfahrzeuge zugreifen sowie eigens erarbeitetes Fachwissen einbringen. „Ein Vorteil der nicht unerheblichen Zeitaufwendungen im Rennteam ist dabei mit Sicherheit der Zugewinn an Praxiswissen, wozu es im eher theorielastigen Studium wenige Gelegenheiten gibt“, erläutert Andre Graßmuck einen Teil der Motivation für seinen Zur-Zeit-Full-time-Job. Was die besonderen Herausforderungen bei der Konstruktion des F0119 angeht, führt er aus: „Die gesamte Konkurrenz arbeitet aktuell schon sehr eng beieinander. Da zählen innovative technische Lösungen natürlich besonders. Die können in neuen Werkstoffen oder sonstigen technischen Verbesserungen liegen.“ Ein umgebauter Yamaha YZF R6-Motor sorgt im F0711-9 für Platzersparnis und G ewichtsreduktion. Ein Hybrid-Rahmen bestehend aus einem CFK (Kohlenstoffverstärkter Kunststoff)-Monocoque vorn und einem CFK-Heckrahmen hinten verbesserte außerdem die Aerodynamik. Mit einem Gewicht von unter 180 kg bringt es der Wagen 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 s. Winkel- und Wegsensoren von Megatron

01 Mit diesem Boliden will das Rennteam Stuttgart an die Erfolge der vergangenen Jahre anknüpfen erfassen die Bremsbalance und die damit aktuell verbundene Getriebestellung. Im Bereich Elektronik kümmern sich Anish Joshi (M. Sc. Studiengang Fahrzeugund Motorentechnik) und Roland Herberth (Studiengang Mechatronik) um die anfallenden Aufgaben. Alle Verbraucher müssen mit Strom versorgt werden, die Sensoren benötigen ein zuverlässiges Datenübertragungssystem und eine entsprechende Fahrzeugtelemetrie. Ein robuster und möglichst leichter Kabelbaum soll die elektronische Versorgung gewährleisten. Die Kommunikation zwischen ECU und Sensoren erfolgt durch CANBus mit Hilfe entsprechend programmierter Mikrocontroller. Zuverlässigkeit spielt bei der Elektronik eine besonders wichtige Rolle. Schließlich sollen Ausfälle des Rennwagens vermieden werden. Sicherer, weil sichtbar Um eine visuelle Ganganzeige für den Fahrer zu realisieren, setzte das Rennteam am Motor einen linearen Wegsensor MMR10 von Megatron ein. Das vom Motor generierte Drehmoment wird zunächst von der aerodynamisch optimierten Kurbelwelle auf ein selbst entwickeltes 4-Gang-Getriebe übertragen. Von dort erfolgt die Transferierung über einen Kettenantrieb auf das erweiterte Drexler Differential, welches elektropneumatisch gesperrt werden kann. Der Motor verfügt über keine Ganganzeige. Über eine Umwandlung der Drehbewegung in einen linearen Weg lässt sich mit dem Linearpotentiometer aber eine genaue Position erfassen, die mit analogem Signal an einen Datenlogger weitergegeben wird. Dieser fungiert gleichzeitig als Display, so dass der Fahrer jederzeit eine visuelle Kontrolle über den gerade eingelegten Gang hat. Es wird immer der tatsächliche, absolute Wert ausgegeben, auch wenn die Elektrik neu startet. Musste der Fahrer in den Vorläufermodellen noch durch Mitzählen selber bestimmen, in welchem Gang er sich gerade befand, bedeutet die visuelle Ganganzeige eine erhebliche Vereinfachung und zusätzliche Sicherheit. Der Wegsensor MMR10 ist ein kompakter Sensor mit kleinen Abmessungen, der u. a. auch in Flugzeugsitzen und in Transportbändern eingesetzt wird. Er zeichnet sich durch eine lange Lebensdauer von 40 Mio. Bewegungen aus. Eine in zwei Gleitlagern gelagerte Schubstange liegt an einem exzentrischen Drehteil an und nimmt die lineare Bewegung auf. Der Sensor ist in Widerstandswerten von 1 kOhm bis 50 kOhm lieferbar. Als Ausführung MMR10 ist der lineare Weggeber mit einer Rückstellfeder ausgestattet, aber ebenso gut auch ohne Feder erhältlich. Andre Graßmuck beschreibt die Anforderungen, die an die Sensorik in einem Rennfahrzeug gestellt werden: „Effizientere und schnellere Autos bedeuten auch weniger Gewicht und eine zunehmende Kompaktheit. Daher müssen sich die Sensoren zum einen teilweise in sehr kleinen Einbauräumen unterbringen lassen, zum anderen ist eine hohe Zuverlässigkeit gefragt.“ 50 bis 60 Sensoren erfassen mittlerweile in nur einem Wagen die unterschiedlichsten Fahrzeugdaten, die in ein komplexes Datenerfassungs- und Telemetriesystem einfließen. Beide Achsen immer gleichmäßig belastet In der Bremspedalerie kommt der Winkelsensor ENA 22 PM – ein Halleffekt-Absolutwertgeber (Multiturn) – zum Einsatz. Die Serie ENA 22 PM 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 ° zulässig, ohne Verlust des Positionswertes. Der Absolutwertgeber ist mit einer 12-Bit-Auflösung, einer Update-Rate von 5 ms und einem Analogausgang erhältlich. 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. Die ist entscheidend dafür, 02 Dank des Wegsensors MMR10 weiß der Fahrer des Rennwagens jederzeit, welcher Gang eingelegt ist 03 Der Halleffekt-Sensor ENA22PM hilft dem Fahrer festzustellen, mit wie vielen Umdrehungen er die Achse ansteuern muss dass das Fahrzeug bei starker Verzögerung nicht ausbricht und kontrollierbar bleibt. Die Verstellung der Bremsbalance erfolgt in den Autos der Formula Student elektronisch mit Hilfe eines Drehservos, dessen Verdrehung mit Hilfe des in die Pedalerie eingebauten Winkelsensors erfasst wird. Hier ist der mechanisch endlose Drehwinkel des Sensors von Vorteil. Der erfasste Wert lässt sich über ein Display ausgegeben und fungiert als Richtwert für den Fahrer. Der kann auf einen Blick sehen, wie die Bremsbalance aktuell eingestellt ist. Andre Graßmuck ist mit der Leistung seines Teams sehr zufrieden. In der laufenden Saison wird sich schließlich zeigen, ob der Bolide auch unter praktischen Bedingungen überzeugen kann. „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. www.megatron.de antriebstechnik 7/2015 35

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