High Octane - Drehmomentmessung an Antriebswellen

High-Octane Motorsports e.V. ist das Formula Student Team der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Die Formula Student ist ein internationaler Konstruktionswettbewerb, an dem Teams aus Studierenden verschiedener Universitäten mit selbst entwickelten und gebauten Formelrennwagen in statischen und dynamischen Disziplinen gegeneinander antreten.

Sensordaten spielen bei der Entwicklung und dem Betrieb eines konkurrenzfähigen Rennwagens eine zentrale Rolle. Aus diesem Grund werden am neuesten Fahrzeug Dehnungsmessstreifen auf den Antriebswellen appliziert, mit denen das Drehmoment des Verbrennungsmotors gemessen werden kann. Bislang konnten genaue Leistungsdaten des Motors nur auf dem Prüfstand ermittelt werden, jedoch nicht während des Testens auf der Rennstrecke. Dazu wurde nach einer leichten und kompakten Lösung gesucht, die möglichst einfach in den Rennwagen und in das Elektroniksystem integriert werden kann.

Messaufbau

Für diese Anforderung boten sich Dehnungsmessstreifen des Typs XY2/XY4 an, mit denen die Torsion der Antriebswellen gemessen und daraus auf das an den Antriebswellen anliegende Drehmoment und entsprechend das Motordrehmoment geschlossen werden kann. Die Dehnungsmessstreifen wurden dazu in Brückenschaltung miteinander verschaltet und an einen batteriebetriebenen Telemetriesender angeschlossen. Über den im Fahrzeug angeschlossenen Telemetrieempfänger lassen sich die gemessenen Werte aufzeichnen und speichern. Die Sensoren wurden von HBM zur Verfügung gestellt, die Telemetrie wurde von einem anderen Hersteller bereitgestellt.

Installation

Um die Installation der Dehnungsmessstreifen möglichst einfach zu realisieren, wurde dazu das HBM Starter Set DAK1 verwendet. In dem Koffer ist alles bis auf den für diese Anwendung benötigten Dehnungsmessstreifen für Torsion enthalten. Daher gestaltete sich die Vorbereitung der Messstellen auf der Antriebswelle und das anschließende Anbringen der Dehnungsmessstreifen sehr einfach. Nach kurzer Überprüfung der Dehnungsmessstreifen und dem Verbinden mit dem Telemetriesender wurde der Messaufbau abgedeckt, um diesen auch bei rauem Betrieb auf der Rennstrecke vor Feuchtigkeit und mechanischen Einflüssen zu schützen. Außerdem spielen bei dieser Anwendung auf der sich schnell drehenden Antriebswelle Fliehkräfte eine große Rolle. Die Kabel mit dem mitgelieferten 2 Schnellklebstoff X60 wurden zugentlastet und mit dem Abdeckmittel AK22 mit Gewebeband fixiert. Danach wurde der Aufbau auf Torsion kalibriert und anschließend im Rennwagen installiert.

Anwendung

Beim Testen des Rennwagens auf der Strecke konnten erste Daten gesammelt werden, die dann Aufschluss sowohl über den zeitlichen Verlauf als auch den Betrag des Drehmoments an den Antriebswellen liefern. In der Abbildung des Datenlogs ist dazu beispielsweise das Drehmoment an einer Antriebswelle, die Geschwindigkeit, die Motordrehzahl und die Gaspedalstellung über der Zeit dargestellt. Daraus kann nun jederzeit das Motordrehmoment während des Betriebs im Rennwagen ermittelt werden. Damit können einerseits die Leistungswerte vom Motor am Prüfstand direkt mit denen im Fahrzeug verglichen und somit auch die Getriebeverluste im Rennwagen errechnet werden. Andererseits können auf diese Weise Änderungen des Motordrehmoments während des Testbetriebs objektiv erkannt werden. Dadurch können beispielsweise die Auswirkungen von Änderungen an der Applikation des Verbrennungsmotors auf das Motordrehmoment bei bestimmten Drehzahlen quantitativ erfasst werden. Dies stellt eine perfekte Ergänzung zum Feedback des Fahrers dar, um dessen Einschätzung auch durch Zahlenwerte genau erfassbar zu machen.

Es können aber auch frühzeitig unerwartete Änderungen der Motorleistung erkannt und entsprechend darauf reagiert werden. Dadurch könnte zum Beispiel eine falsche Kettenspannung erkannt werden. Des Weiteren kann durch die Messung der Torsion auch die Auslegung der Antriebswellen validiert werden, insbesondere auch die auftretenden Belastungsspitzen im Antriebsstrang können quantitativ erfasst werden. Mit den gesammelten Daten kann dieser weiter optimiert werden und somit dessen Gewicht reduziert werden. Aber auch für das Einstellen des Differentialgetriebes können die gesammelten Daten weiterhelfen. Während Kurvenfahrten unterscheidet sich das maximal übertragbare Drehmoment zwischen den beiden angetriebenen Hinterrädern. Durch die Differenz der Torsion zwischen der linken und der rechten Antriebswelle kann auf das übertragene Antriebsmoment auf dem jeweiligen Rad geschlossen werden und dadurch der optimale Sperrgrad des Differentials gefunden und eingestellt werden. Daneben helfen die gewonnen Daten bei der Optimierung der selbst entwickelten Rundenzeitsimulation. Diese stellt eine wichtige Unterstützung bei der Abwägung von Design-Entscheidungen und folglich der Entwicklung des Rennwagens dar. Durch die 3 ermittelten Leistungswerte im Testbetrieb lässt sich das Simulationsmodell validieren sowie weiter optimieren, um noch genauere Simulationsergebnisse zu erhalten.

Mit einer möglichst genauen Simulation können die Auswirkungen verschiedenster fahrdynamischer Parameter auf die erreichbare Rundenzeit errechnet werden. Mit diesen Informationen können die kommenden Rennwagen noch schneller gemacht werden. Mit dem Test der Torsionsmessung mit Dehnungsmessstreifen an den Antriebswellen des Rennwagens aus der letzten Saison konnten viele Erfahrungen gesammelt werden, die bei der Applikation der Dehnungsmessstreifen bei dem aktuell entwickelten Rennwagen sehr hilfreich sind. Neben der Anwendung im Antriebstrang bieten sich auch weitere Stellen wie beispielsweise im Fahrwerk an, an denen durch Spannungs- und Dehnungsmessungen Optimierungen in Bezug auf Leichtbau und Steifigkeit ermöglicht werden. Dank der Unterstützung von HBK mit den benötigten Komponenten konnten die Nachwuchsingenieure von High-Octane Motorsports e.V. wertvolle Erfahrungen sammeln und Einblicke in das Produktportfolio von HBK und den möglichen Anwendungen gewinnen.

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