Beschleunigungssensoren bei ETH-Elektro-Rennwagen

Bei den Rennwagen der Formula Student werden zur Optimierung der Bodenhaftung Beschleunigungs-Sensoren eingesetzt. Ziel ist es, mit der Messung und Regelung der aktiven Dämpfung optimale Fahreigenschaften zu erreichen.

Die Formula Student ist der weltweit grösste studentische Ingenieurswettbewerb. Über 500 Teams stellen sich der Herausforderung innerhalb von einem Jahr ein komplett funktionsfähiges Rennauto zu bauen. Das Reglement ist sehr offengehalten und erlaubt es den jungen Ingenieuren innovative Konzepte umzusetzen. Ziel ist es bei den Events möglichst viele Punkte in statischen und dynamischen Disziplinen zu erzielen. Zum einen gilt es ein schnelles, zuverlässiges Auto zu bauen, zum anderen müssen die umgesetzten Konzepte vor Experten aus der Industrie und dem Motorsport verteidigt und auch verkauft werden.

Der Akademische Motorsportverein Zürich baut jährlich einen Rennboliden für die Formula Student. Knapp 20 angehende Maschinenbau- und Elektroingenieure, Studierende der ETH Zürich und der Hochschule Luzern konzipieren, konstruieren und fertigen einen Rennwagen. Das Ergebnis der Saison 2015 ist «flüela»: Ein elektrisch angetriebenes Renngefährt mit einer Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in unter 2 Sekunden! (siehe Bild) Dies wird ermöglicht durch vier selbst entwickelte Radnabenmotoren mit jeweils 50 PS, welche eine individuelle Ansteuerung aller vier Räder erlauben. Das Fahrzeuggesamtgewicht beläuft sich auf gerade mal 170 kg. Ein vollständiges Aerodynamikpaket ist verbaut, welches bis zu 2 kN Abtrieb erzeugt. Zum Einsatz kommen ausserdem unzählige kohlestofffaserverstärkte Kunststoffe, darunter das einteilige Monocoque, die Felgen und alle Teile der Aerodynamik. Das Fahrwerk von «flüela» ist mit semi-aktiven Dämpfern ausgestattet. Diese erlauben es die Dämpfungskurven und somit die dissipativen Kräfte an die entsprechende Fahrsituation anzupassen und damit stets optimale Strassenlage zu gewährleisten. Mit zwei Gesamtsiegen an vier Events konnte sich der AMZ den ersten Platz auf der Weltrangliste für ein weiteres Jahr sichern.

Um die volle Funktionsfähigkeit aller Aktoren und deren Zusammenspiel zu realisieren sind eine Vielzahl von Sensoren in das Fahrzeug eingebaut. Darunter ein optischer Sensor, der die aktuelle Bodengeschwindigkeit detektiert und eine präzise Messung erlaubt, trotz Schlupf an allen Rädern. Nebst weiteren ist eine «Inertial Measurement Unit» zum Bestimmen der Beschleunigungen am Chassis verbaut sowie diverse Sicherheitssysteme wie unzählige Temperatursensoren zur Überwachung der Lithium-Polymer-Zellen, der Leistungselektronik und der Motoren.

Die wichtigste Komponente eines Fahrzeugs sind die Reifen. Sie bieten den einzigen Kontakt zur Fahrbahn und übertragen somit alle Kräfte. Aus Fahrzeugsimulation und Datenanalyse ist bekannt, dass die Reifenperformance die grösste Sensitivität auf die Reduktion der Rundenzeit besitzt. Um die Effekte genauer zu verstehen und Massnahmen zu treffen, herrscht ein grosses Interesse an der Dynamik der ungefederten Masse. Aus diesem Grund setzt der AMZ in der Saison 2015 zum ersten Mal Radbeschleunigungssensoren von der Firma KELAG ein. An jedem der vier Radträger ist ein solcher Sensor angebracht (siehe Bild). Die elektromagnetische Verträglichkeit stellt bei einem Elektrofahrzeug, wo Ströme von mehreren hundert Ampère bei 470 V fliessen keine einfache Aufgabe dar. Dank der internen Abschirmung und der strikt sternförmigen Verkabelung und Erdung an den Kabelbaum kann mit einer ausgezeichneten Signalqualität gearbeitet werden. Die Beschleunigungssensor von KELAG messen die Radbeschleunigung in vertikale-Richtung mit einer Bandbreite von -6 G bis +6 G und wurden insbesondere aufgrund ihrer elektrischen und mechanischen Robustheit gewählt, was zuverlässige und präzise Signale auch unter schwierigen Umweltbedingungen ermöglicht. Die gemessenen Daten werden verwendet um die Regelung der semi-aktiven Dämpfer zu optimieren. Dies wiederum resultiert in erhöhter Strassenhaftung und somit in kürzeren Rundenzeiten.

Um die Dämpferregelung zu entwickeln wird eine Fahrwerksimulation verwendet. Das Fahrzeug wird mit einem Viertelfahrzeugmodell vereinfacht, welches die Situation und Interaktion an einer Radaufhängung und Reifen abbildet.  Das Ziel der Simulation ist es die optimalen Dämpferkurven zu finden, damit die Radlastschwankungen auf den Reifen minimiert werden.

Das System wird mit Chassis-Bewegungen sowie Strassenunebenheiten, welche am echten Fahrzeug gemessen und aufgezeichnet wurden, angeregt. Die Anregungsprofile und –Frequenzen beeinflussen wie die ungefederte und gefederte Masse reagieren. Bei einem PW will man die Transmissibilität von Bodenunebenheiten zum Chassis möglichst geringhalten, um den Komfort zu erhöhen. Für ein Rennfahrzeug ist die Reifenperformance übergeordnet. Um eine möglichst geringe Transmissibilität auf die Radlasten zu erzielen werden mit den Sensoren die Frequenzen der Anregung erfasst und mittels der Simulation die optimalen Dämpfungsverhältnisse ermittelt.

In der Saison 2016 wird der AMZ wieder auf die Rad-Beschleunigungssensor setzen. Der in der Dämpferregelung implementierte Algorithmus wird neu aufgesetzt und das gemessene Signal der Sensoren wird verwendet um direkt auf Bodenunebenheiten zu reagieren. Das neue AMZ-Fahrzeug «gotthard» wurde bereits am 20. Mai anlässlich des Roll-Out bei Sauber F1 in Hinwil vorgestellt und wird sich im Sommer auf vier Events in Europa gegen die internationale Konkurrenz messen.

Kelag hat hierzu einen Beschleunigungssensor beigesteuert, welcher die Achsenbeschleunigung misst. Dazu wurde der KAS903-12A eingesetzt.

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