Formula Student - das UNI Maribor Grand Prix Team baut auf Dewesoft

Wussten Sie, dass es in Slowenien ein Team junger Ingenieure gibt, das eigenständig leistungsstarke Rennwagen entwickelt, um damit auf den berühmtesten Rennstrecken der Welt anzutreten?

Studierende der Universität Maribor bemühen sich im UNI Maribor Grand Prix Engineering-Team, über die Formula Student ihren Weg in die Elite der Automobiltechnik zu finden. Das erste UNI Maribor Grand Prix Engineering-Team wurde 2011 von 30 Studierenden gegründet. Seitdem wurden neun Rennwagen gebaut, und derzeit arbeiten die jungen Ingenieure an ihrem neuen Fahrzeug für die Rennsaison 2020.

Formula Student

Die Formula Student ist der weltweit größte Konstruktionswettbewerb für Studierende der Ingenieurswissenschaften. Jedes Jahr treten sie mit ihrem Wissen und ihrer Erfahrung und mit Unterstützung ihrer Universitäten und Sponsoren bei der Fertigung von Rennwagen und Rennen auf verschiedenen Straßenetappen gegeneinander an. Durch die Teilnahme an der Konzeption, Konstruktion, Produktion und Erprobung sowie am Renneinsatz der Wagen, aber auch an der Erstellung eines Geschäftsmodells und einer Kostenanalyse sammeln die Studenten dabei wertvolle praktische Erfahrungen.

Das Konzept hinter Formula Student geht von der Annahme aus, ein fiktives Produktionsunternehmen habe das studentische Konstruktionsteam beauftragt, einen kleinen Formelrennwagen zu entwickeln. Anhand eines Prototyps dieses Rennwagens soll dann sein Potenzial für die Serienproduktion geprüft werden. 

Jedes Team entwirft, baut und testet seinen Prototyp auf der Grundlage eines Regelwerks, dessen Zweck sowohl die Gewährleistung der Sicherheit auf der Rennstrecke – die Autos werden von den Studenten selbst gefahren – als auch die Förderung einer intelligenten Problemlösung ist.

Weltweit gibt es mehrere hundert Universitätsteams, die jedes Jahr in über 40 Wettbewerben auf verschiedenen internationalen Rennstrecken gegeneinander antreten. Organisiert wird der Wettbewerb von Ingenieursverbänden mit Unterstützung der größten Automobilunternehmen, wie Porsche, Daimler, Audi, Jaguar und anderen, die dabei auch ihr zukünftiges Ingenieurpersonal trainieren wollen.

Verbindung zu Dewesoft

Beim Team von University of Maribor Grand Prix Engineering (UNI Maribor GPE) stießen wir auf Dewesoft, als wir nach einem Datenerfassungssystem für unseren Rennwagen suchten.

Wir hatten zunächst die örtliche Vertretung von National Instruments um ihr Sponsoring gebeten, und sie waren freundlicherweise bereit gewesen, uns kostenlos mit Hard- und Software zu unterstützen. Sie wiesen jedoch darauf hin, dass es erforderlich wäre, innerhalb ihrer Software eine Anwendung zu programmieren, um die Sensordaten in unserem Fahrzeug erfassen zu können. Sie boten uns auch an, das für uns tun, dieser Teil wäre dann allerdings nicht kostenlos gewesen und auch nicht gesponsert worden. Da wir jedoch weder über die internen Ressourcen noch über das ausreichende Wissen für die Entwicklung einer Messanwendung verfügten, kam diese Option für uns nicht wirklich in Frage.

Glücklicherweise war eines unserer Teammitglieder bei einem früheren Projekt von Dewesoft gesponsert worden und schlug vor, sich an die Firma zu wenden. Wir besuchten die Zentrale in Trbovlje, und Dewesoft bot uns tatsächlich kostenlose Hard- und Software an – und wir mussten die Anwendung nicht selbst entwickeln! 

Die Datenerfassungssoftware Dewesoft X3 war vielmehr bereits als einsatzbereite Lösung verfügbar. Wir brauchten nur noch die USB-Geräte (SIRIUS und  DEWE-43A) mit dem SBOX PC zu verbinden und die Sensoren anzuschließen, und schon wurden die Daten auf dem Bildschirm bereitgestellt.

Erfassung der Rennwagendaten

Die Erfassung von Rennwagendaten ist für ein Messsystem eine recht komplexe Aufgabe, da es viele verschiedene DAQ-Techniken erfordert. Zu den typischen Messgrößen gehören:

Die Datenerfassungsgeräte von Dewesoft bieten alle erforderlichen Signalaufbereitungs-Frontends für die in der Tabelle aufgeführten analogen Kanäle sowie die Zählereingänge. Zum Anschluss von Vollbrücken-Dehnungsmessstreifen und Potentiometern von allen vier Rädern verwendeten wir ein 8-kanaliges SIRIUS STG-Modul. Ein DEWE-43 lieferte acht zusätzliche Analog- und Zählerkanäle.

Die Zählerkanäle wurden für Radgeschwindigkeitssensoren und den Lenkrad-Encoder verwendet, während die analogen Kanäle des DEWE-43A für die Bremsdrucksensoren und die anderen Zusatzsensoren gelegen kamen. SIRIUS und DEWE-43A boten auch eine CAN-Bus-Schnittstelle, die wir an die MoTeC-ECU anschlossen, um verschiedene Motorparameter, wie Drehzahl, Drosselklappenstellung, Öl- und Wassertemperatur, auszulesen.

Zudem stellte uns Dewesoft ein IMU- und GPS-Gerät (DS-IMU-2) zur Verfügung, das über einen COM-Port mit dem PC verbunden werden musste, auf dem die Dewesoft X-Software lief. Das gleiche galt für eine  Hochgeschwindigkeits-Videokamera, die wir per Ethernet (GigE) anschlossen.

Dewesoft – Einfach und effektiv

Die Integration all dieser Signale in Dewesoft verlief reibungslos: Man konfiguriert die analogen Kanäle im Menü „Analog In“, die Zählerkanäle im Menü „Zähler“ und das GPS im entsprechenden spezifischen Menü, für die IMU-Konfiguration gibt es ein spezielles Plugin, und das CAN-Bus-Menü hat sein eigenes, einfach zu bedienendes CAN-Dekodierungs-Tool. 

Selbst wenn die Hardware mehrere unterschiedliche Sensoren und Geräte umfasst, weist die Arbeit mit der grafischen Benutzeroberfläche der Datenerfassungssoftware Dewesoft X für den Benutzer keine nennenswerte Komplexität auf. Es gibt dort lediglich zeitbasierte Kanäle, deren Daten gespeichert oder in mathematischen Kanälen weiterverarbeitet werden können. Außerdem werden in Dewesoft alle Signale – egal welcher Art (analog, digital, GPS, Video) –  synchronisiert.

Wir hatten nicht viel Erfahrung mit Messtechnik, da unserem Team überwiegend Maschinenbauingenieure angehörten. Dewesoft machte es uns aber einfach, da im Prinzip alles per Plug-and-play funktionierte. Nehmen Sie zum Beispiel die Dehnungsmessstreifen. Die Schaltbilder in der Dewesoft-Kanalkonfiguration enthielten klare Anweisungen, wie sie zu verdrahten waren. Vertauscht man nun zum Beispiel Plus- und Minus-Eingangsdrähte, dann braucht man einfach nur die Plus-Minus-Schaltfläche im Setup zu drücken, um die Signalrichtung entsprechend anzupassen. 

Wir skalierten die Dehnungsmessstreifen an den Zugstangen durch Aufbocken unseres Wagens auf vier Waagen und Verwendung der Zweipunkt-Kalibrierung von Dewesoft: Dazu gibt man zunächst die Gewichtswerte des leeren Wagens ein, lässt dann einen schweren Fahrer darin Platz nehmen und gibt anschließend die von den Waagen gemessenen neuen Werte ein. Schließlich wurden die Parameter auf einem TEDS-Chip im DSUB9-Anschluss der DMS-Eingänge gespeichert, der jeden Kanal, mit dem der Sensor dann verbunden wurde, automatisch konfigurierte.

Das Mathematikmodul von Dewesoft X war für unsere Analyse des Fahrzeugverhaltens besonders wertvoll. Um die Querbeschleunigung in Kurven zu beobachten, mussten die Beschleunigungskanäle auf etwa 5 Hz tiefpassgefiltert werden. Die Dämpferweg-Werte wurden für die Nick- und Wankwinkelberechnung verwendet, und die Video- und GPS-Daten waren sehr nützlich, um bei der Nachverarbeitung die Position des Wagens auf der Rennstrecke zu ermitteln. Auch das Polygon-Plugin wurde für die Anzeige der Rennstrecke und des Fahrzeugs verwendet.

Der Zweck der Datenerfassung war es, das Verhalten des Autos zu verstehen und seine Eigenschaften zu verbessern. So konnten wir die Spitzenbeschleunigungen und Radlasten einsehen, die auf der Rennstrecke auftraten, und sie mit unseren Simulationswerten vergleichen, um unser Fahrzeugdesign zu evaluieren und für das nächste Jahr zu optimieren.

Formula Student - UNI Maribor Grand Prix Engineering (GPE) - Fahrzeuge

Problem – Abheben der Räder vom Boden

Ein besonderes Problem, das bei den frühen Tests des GPE12-Wagens auftrat, konnte mit Hilfe der erfassten Daten gelöst werden: Der Wagen verlor in einer Kurve plötzlich mit beiden Innenrädern die Bodenhaftung, und nur die schnelle Reaktion des Fahrers verhinderte, dass er umkippte. Wir verstanden nicht wirklich, warum dieses Phänomen auftrat, da die Spurweite (1200 mm) und die Schwerpunkthöhe (270 mm) in der Kombination theoretisch eine maximale Querbeschleunigung von 2,2 g für die Innenräder ohne Verlust der Bodenhaftung zuließen.

Die mit Dewesoft aufgezeichneten Daten zeigten auf der sehr griffigen Flughafenrollbahn, die wir als Teststrecke nutzten, Querbeschleunigungs-Spitzenwerte von 1,7–1,8 g. In der Theorie hätte diese Kraft nicht ausreichen sollen, um die Innenräder vom Boden abheben zu lassen. Außerdem zeigten die Daten, dass die Spitzenquerbeschleunigung nicht höher gewesen war als in vorherigen Runden. Was war also in diesem konkreten Fall geschehen?

Da sich die Belastung nicht erhöht hatte, konnte der größere Wankwinkel nur durch eine geringere Wanksteifigkeit oder -dämpfung verursacht worden sein. Bei der Untersuchung der Querstabilisatoren stellten wir fest, dass ihre Lager ein erhebliches Spiel aufwiesen, aufgrund dessen die Stabilisatoren praktisch keinen Wankwiderstand mehr boten. Dadurch wurde beim Einsetzen der Beschleunigung das Wankmoment im Fahrgestell so sehr verstärkt, dass das Fahrzeug beinahe umkippte.

Die Berechnung der maximalen Querbeschleunigung von 2,2 g hatte auf der Annahme einer quasi-statischen Belastung basiert, und die Wankträgheit des Fahrgestells sowie natürlich die fehlerhaften Stabilisatoren waren dabei nicht berücksichtigt worden! Mit Hilfe unseres Messsystems gelang es uns schließlich, das Problem zu lokalisieren und noch am selben Tag zu beheben, an dem es aufgetreten war.

Bei Dewesoft beschäftigt – Die GPE-Bande

Die Erfahrungen, die sie bei der Arbeit mit Dewesoft-Hardware und -Software und dem Dewesoft-Team gemacht hatten, brachten mehrere Mitglieder des UNI MB GPE-Teams dazu, sich dem Unternehmen bald nach Abschluss ihres Studiums anzuschließen, so dass es jetzt eine fünfköpfige „GPE-Bande“ bei Dewesoft gibt.

Bojan Čontala kam als erstes GPE-Mitglied zu Dewesoft, gleich nachdem er 2013 Teamleiter gewesen war. Als Mechatroniker hatte er zunächst für die Datenerfassung und Elektronik verantwortlich gezeichnet und 2012, bereits vor der Übernahme der Teamleiterrolle, mit dem Dewesoft-System gearbeitet. Während seiner Zeit als Teamchef fuhr er unter anderem den Transporter des Teams in 26 Stunden allein von Maribor nach Silverstone in Großbritannien. Heute ist er bei Dewesoft als regionaler Verkaufsmanager für Europa tätig.

Zwei Jahre nach Bojan kamen drei weitere ehemalige GPE-Mitglieder zu Dewesoft: Luka Jerman, Aleksander Klemenčič und ich selbst. Luka hatte direkt ab der Gründung des GPE-Teams im Jahr 2011 viele wichtige technische Aufgaben übernommen; zunächst in der Simulation und Entwicklung von Verbundwerkstoffen (2012), dann in der Fahrdynamiksimulation und im Fahrwerksdesign (2013) und schließlich als technischer Direktor (2014). Inzwischen ist er bei Dewesoft Software-Entwickler für Automobilanwendungen.

Alex war bereits im GPE-Team ein Multitalent und Meister in vielen Disziplinen gewesen. Er arbeitete am sequenziellen Schaltmechanismus, an der Elektronik und an der Motorabstimmung und schweißte, wenn nötig, auch mal 0,5 mm dünnes Aluminium. Im Jahr 2012 hatten wir eine wichtige Präsentationsveranstaltung für unser neues Auto in Maribor, an der auch der slowenische Bildungsminister teilnahm. Nur eine halbe Stunde vor Beginn der Veranstaltung wollte der Motor unseres Wagens nicht anspringen. Als alle dabei waren, die Hoffnung zu verlieren, öffnete Alex kurzerhand die MoTeC-ECU und lötete einen Draht auf die Leiterplatte, der das Problem löste. Heute ist er bei Dewesoft als wichtiger Entwickler mit dem Schwerpunkt kostengünstige Datenerfassungsgeräte tätig.

Ich selbst war 2011 Mitbegründer des GPE-Teams und in den ersten beiden Saisons Teamleiter. Es war eine unvergessliche Erfahrung: die Entwicklung des Autos, die Suche nach Sponsoren, die Rennen in ganz Europa gegen Wettbewerber aus aller Welt. In meiner Rolle als Anwendungstechniker bei Dewesoft ist es aber heute nicht so viel anders.

Wenig später kam auch noch Primož Gorenšek dazu. Ich denke, ohne Primož wäre das GPE-Projekt vielleicht nicht einmal ein Jahr alt geworden. Er war in unserem ersten Jahr der einzige, der bereits in der Lage war, am Motor und der Elektronik zu arbeiten – und der sie tatsächlich zum Laufen brachte. Dass dabei allerdings auch so manche Maschine auf der Strecke blieb, davon zeugen in der GPE-Werkstatt in Maribor noch heute einige zertrümmerte Ventile und Kolben. Primož ist inzwischen Anwendungsingenieur für Automobil- und Verbrennungstechnik bei Dewesoft und arbeitet noch immer eng mit Bojan und Luka zusammen.

Abschließende Überlegungen

„Die Formula Student ist die beste Ingenieurschule der Welt“, sagte Claude Rouelle, Gründer und Präsident der internationalen Fahrdynamik-Beratergruppe OptimumG, in einem Interview: „Der Erfolg der Formula Student zeigt sich dabei nicht nur in der Entwicklung guter Autos, sondern auch in der Entwicklung guter Teams.“

In Slowenien wurde zweifellos beides erreicht. Das GPE-Projekt hat, was uns betrifft, seinen Zweck mehr als erfüllt: Es hat die theoretische Ausbildung um die praktische Erfahrung ergänzt, die uns in die Lage versetzt, in einem führenden Elektronikunternehmen, das weltweit die Automobilindustrie beliefert, unseren Beitrag zu leisten. Das UNI Maribor Grand Prix Engineering-Team rekrutiert im März 2020 neue Mitglieder!