Mit 5 g in die Steilwand - HBM-Messtechnik in der Formel 1 des Wintersports

Dank Messungen von Forschern der TU München ist der Weg für ein systematisches Optimieren von Bobkufen geebnet. In unserem Kundenmagazin HOTline erfahren Sie mehr über die Belastungstests im Eiskanal von Berchtesgaden Königssee.

Bis heute werden Kufen für den Bobsport fast ausschließlich auf der Grundlage empirischer Informationen entwickelt und hergestellt. Ein großer Erfahrungsschatz von Bobpilot und Trainer sowie langjähriges Testen sind am ehesten Garant für einen der ersten Plätze bei internationalen Wettbewerben.Schwer reproduzierbare Trainingszustände, wechselnde Wetterlagen und Bahnverhältnisse erschweren dabei einen direkten Vergleich verschiedener Kufengeometrien und Kufenmaterialien. Dabei sind verifizierte Messergebnisse die Basis für die gezielte Beeinflussung der Kufeneigenschaften und unverzichtbar als Eingangsdaten in FEM-Berechnungen. Zudem ermöglichen sie die Ermittlung der auf den Bob und Kufenkörper einwirkenden Kräfte, was eine genaue Beschreibung des Verhaltens zwischen Kufe und Eis zulässt. Die Kenntnis über Ort und Höhe des Einsinkens des Gleitkörpers in die Eisschicht kann helfen, den Gleitvorgang zu optimieren.

Mit MGCplus und catman® im Rennbob

Hohe mechanische Belastung, zeitgleiche Messung von 48 Sensorsignalen mit Abtastraten >2.000 Hz, Beschleunigungen von bis zu 5 g, niedrige Temperaturen und Batteriebetrieb sowie möglichst kleine Abmessungen machten das Datenerfassungssystem MGCplus zum optimalen Partner im Eiskanal.
Gemessen wurden die Dehnungen an der Kufe, die Gesamtlast pro Kufe sowie die Beschleunigungen an Kufe und Bob-Rahmen. Zur Messung der Dehnungen an den Kufen konnten stets zwei Kufen zeitgleich vermessen werden, da durch den Einsatz des MGCplus insgesamt 48 Messkanäle verfügbar waren.
Durch einfaches Wechseln der Einschübe vor Ort war die Verwendung von kapazitiven Sensoren zur zusätzlichen Beschleunigungsmessung möglich. Zur Ermittlung der Achsdurchbiegung wurden Linear-DMS verwendet. An den Kufen wurden zur Messung der Hauptspannungen und deren Richtungen Rosetten-
DMS angebracht.

Die Messfahrten

Mit den bayerischen Bobteams von Karl Angerer, Christoph Gaisreiter sowie Katrin Dostthaler wurden im Eiskanal am Königssee insgesamt 21 Messfahrten durchgeführt. In Summe wurde dabei eine Datenmenge von 43 MB pro Messfahrt aufgezeichnet, die sich aus einer Signalbreite von 32 Bit, einer Messfrequenz von 2.400 Hz an insgesamt 48 Einzelkanälen und einer Aufzeichnungsdauer von 100 Sekunden errechnet.

Die erzeugten Messdaten wurden im MGCplus auf eine Compactflash-Speicherkarte gespeichert und anschließend mit der Software catman® am Notebook ausgelesen und bearbeitet.

Bei den durchgeführten Messfahrten im Zweierbob wurde der Datenlogger
zwischen dem Pilot und dem Bremser deponiert. Dabei wurde streng darauf geachtet, dass für die Bobsportler keine Verletzungsgefahr bestand. Die Erdung des MGCplus erfolgte über den Bob-Rahmen und die Kufen.

Messergebnisse aus den Messfahrten

Da eine gezielte Optimierung der Kufengeometrie nur möglich ist, wenn Belastung, Ort, Zeitpunkt und Lage des Bobs bekannt sind, müssen alle erzeugten Messergebnisse mit den geometrischen und baulichen Eigenheiten des Eiskanals verknüpft werden.

Dies geschieht mittels einer Zuordnung der Messergebnisse durch eine eigens für die Bobbahn entwickelte Ereigniskarte. Die Abbildung (siehe PDF-Dokument) zeigt eine schematische Skizze der Bobbahn in Verbindung mit aufgezeichneten Achslasten eines Zweierbobs. Dabei sind die verschiedenen Ereignisse im Eiskanal deutlich als Sensorsignale im Diagramm zu erkennen.

Durch die auf den Bob wirkende Zentripetalkraft steigt die Achsdurchbiegung
und somit das ausgelesene Sensorsignal quadratisch mit zunehmender Geschwindigkeit und linear mit abnehmendem Bahnradius an.

In der letzten Steilkurve, der Echowand, steigt die Belastung für Pilot und Mannschaft auf ein Fünffaches ihres Körpergewichts an. Hier erfährt der Bob die maximale Belastung.

Zuordnung der Belastungen

Zur exakten Zuordnung der Belastungen zum entsprechenden Ort im Eiskanal wird die Position des Bobs anhand des Signals genau ermittelt. Dies kann durch Integration der Geschwindigkeit über die Zeit geschehen. Die Geschwindigkeit ließ sich durch einen Vergleich der Achssignale ermitteln: Die Ausschläge der Vorderachse traten mit einem geringen Zeitversatz an der Hinterachse auf. Mit dem bekannten Achsabstand des Bobs konnte daraus dessen Geschwindigkeit ermittelt werden.

Bobsport und Messtechnik in der Zukunft

Hoher Konkurrenzdruck und immer schneller werdendes Gerät erfordern systematisches Vorgehen bei allen Weiterentwicklungen im Wintersport. Dabei stellt die Messtechnik eine Schlüsselposition dar, da sie einerseits Aussagen zu auftretenden Belastungen liefert und andererseits als Grundlage zur Verifizierung von Simulationen dient.
Basierend auf den im Eiskanal in Berchtesgaden aufgezeichneten Messergebnissen wurde am Zentralinstitut für Medizintechnik der TU München ein FEM-Modell erstellt, das die Simulation der gemessenen Vorgänge erlaubt.

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