Freitag, 3. Februar 2023 · 0 min read
Temperaturmessung in der Formel 1
Cool bleiben! Formel 1 Boliden stecken voller hochmoderner Technik und dienen der Erprobung neu entwickelter Automobiltechnologien. Bei der Gewährleistung eines Optimums an Leistung und Sicherheit in diesem Kontext spielen Temperaturen eine entscheidende Rolle. Eine spezielle Herausforderung besteht darin, sie niedrig zu halten und das Cockpit, die Reifen, den Motor, die Elektronik usw. diesbezüglich zu überwachen. Während eines Rennens nähern sich nämlich alle Systeme des Fahrzeugs ihren oberen Temperaturgrenzen.
Das an der World Endurance Championship (WEC FIA) teilnehmende Alpine Elf Matmut Endurance Team benötigte eine Lösung zur Überwachung der Cockpit-Temperaturen und Lokalisierung von Quellen übermäßiger Hitze – Dewesoft war in der Lage, sie zu liefern.
Formel 1 Wagen sind vollgepackt mit Instrumenten für spezifische Messungen während des Rennens. Die Bekämpfung der Hitze und die Kühlung des Antriebsstrangs und anderer Fahrzeugsysteme ist für das Team sowohl in der Konstruktionsphase als auch auf der Rennstrecke eine große Herausforderung. Wenn der Motor zu heiß wird, verliert er an Leistung, da sich durch die Hitze z. B. Getriebekomponenten ausdehnen oder geschwächt werden, das Öl verliert seine Schmierwirkung, und das Ausfallrisiko der Elektronik erhöht sich.
In den Radbaugruppen, zu denen auch die Bremsanlage gehört, können die Bremsscheiben und -beläge Temperaturen von bis zu 900 °C erreichen, während die Bremssättel eine maximale Betriebstemperatur von etwa 260 °C haben.
Rennreifen haben ein sehr enges Betriebstemperaturfenster. Meist sind diese auf einen Bereich von nur etwa 30 °C begrenzt, um eine optimale Performance hinsichtlich des Grip-Levels zu gewährleisten. Zu niedrige oder zu hohe Temperaturen beeinträchtigen die Fahrtauglichkeit und die Sicherheit, und selbst Schwankungen der Umgebungstemperatur von wenigen Grad wirken sich bereits aus.
Alles in allem ist das Thermomanagement ein Schlüssel zu Zuverlässigkeit, Performance und Sicherheit. Für die Überwachung der Temperaturen der verschiedenen Rennwagenkomponenten müssen alle Rennteams und Fahrzeughersteller multiphysikalische Sensoren und Datenerfassungssysteme einsetzen, die in der Lage sind, verschiedene Messungen mit maximaler Präzision und Geschwindigkeit zusammenzuführen.
In diesem Jahr wird das Alpine Elf Matmut Endurance Team in der Hypercar-Kategorie erstmals den Alpine A480 mit der Nummer 36 einsetzen. Seit der Rückkehr zu den Langstreckenrennen hat Alpine zwei europäische Titel, zwei Weltmeistertitel und drei LMP2-Siege in Le Mans errungen. Dieses Engagement in der Königsklasse des Motorsports setzt Alpine auch 2021 fort, indem es sich zusätzlich zum Formel-1-Debüt der Herausforderung in der Hypercar-Klasse der FIA WEC stellt.
Hitze – die Herausforderung
Das Alpine-Team wollte die Temperaturentwicklung im Fahrzeug-Cockpit kontrollieren, um übermäßige Hitze zu vermeiden. Die Fahrer haben oft Probleme mit hohen Temperaturen im Fahrzeuginnenraum. Die Herausforderung bestand darin, herauszufinden, wo das Problem liegt und wie groß es ist, also die Quelle zu lokalisieren und Temperaturmessungen im Cockpit durchzuführen. Die Frage war, wie diese Messungen und die Temperaturüberwachung zu bewerkstelligen wären.
Was die Belastung der Fahrer betrifft, ist festzustellen, dass die durchschnittliche Lufttemperatur in einem Formel-1-Cockpit 50 °C beträgt. Während eines zweieinhalbstündigen Rennens können Fahrer so allein durch Schwitzen durchaus 2,5–3 kg Körpergewicht verlieren.
Das Hauptanliegen besteht also darin, die Temperatur im Cockpit unter Kontrolle zu halten – zum Wohle des Fahrers und der eingebauten elektronischen Instrumente, die Fehlermeldungen oder falsche Daten senden und so während eines Rennens einen Stopp erzwingen oder sogar einen Motorschaden verursachen können.
Die Installation eines Thermoelements oder eines Platin-Widerstandsthermometers Pt100 im Fahrzeuginnenraum ist nicht einfach, da sehr wenig Platz und der Zugang generell schwierig ist. Außerdem muss man genau wissen, wo man den Sensor anbringen sollte – also das Problem genau und korrekt analysiert haben –, denn diese Sensoren sind nur für einen einzigen Messpunkt vorgesehen.
Das Cockpit in der Formel 1 ist sehr eng, daher ist es nicht möglich, größere Geräte darin unterzubringen. Ähnlich kompliziert kann es sein, Sensoren irgendwo in oder an einem Rennwagen (also z. B. an Reifen, Felgen, Motoren oder Leitblechen) anzubringen.
Messungen
Zu den gebräuchlichsten und beliebtesten Sensoren für die Temperaturmessung gehören heute Thermoelemente, Widerstandsthermometer (RTD) und Thermistoren. Die Temperatur-Datenlogger von Dewesoft unterstützen alle diese Standard-Sensortypen. Darüber hinaus unterstützt Dewesoft aber auch die Temperaturmessung mit Infrarot-Wärmebildkameras von OPTRIS – sogar kombiniert und synchronisiert mit analogen Temperatursensoren. In diesem konkreten Fall war die Wärmebildkamera die einzige umsetzbare Lösung.
Das Alpine-Team entschied sich dafür, die Dewesoft-Lösung mit einer Wärmebildkamera von Optris zu kombinieren. Dies ermöglichte es den Technikern,
● Durchschnitts-, Maximal- und Minimalwerte zu messen;
● die Quelle der hohen Temperaturen zu lokalisieren und
● den Luftstrom zu modifizieren, um die Wärme abzuleiten.
In der Datenerfassungssoftware DewesoftX lässt sich das Videosignal von OPTRIS-Kameras mit einer Genauigkeit von ca. 10 ms mit anderen analogen und sonstigen Datenquellen synchronisieren.
Die Temperatur-Datenlogger und -rekorder von Dewesoft ermöglichen eine genaue Aufzeichnung von Temperaturdaten aller Temperatursensortypen, wie Thermoelementen, Widerstandsthermometern und Thermistoren. Die Temperaturlogger sind modular aufgebaut und können zwischen 1 und 1000 Temperaturmesspunkte erfassen.
Fazit
Die Lösung ermöglichte es den Alpine-Entwicklungstechnikern, die Temperaturstabilität zu überwachen. Sie konnten Hotspots ausfindig machen, das Bauteil oder Gerät, das die Wärme verursachte, genau identifizieren und die Auswirkungen von Änderungen (z. B. Ableitung des Luftstroms) beobachten.
Die Datenerfassungslösung von Dewesoft bietet sogar noch weitere Vorteile, da sie Infrarot-Wärmebildkameras mit anderen Eingangssignalen kombinieren kann:
Standard- und High-Speed-Video,
GPS und INS/IMU (Ortung),
Geschwindigkeit und Beschleunigung,
CAN-Busdaten
und mehr.
Die Datenerfassungsgeräte und die Software von Dewesoft sind für die Messung und Analyse aller internen oder externen Fahrzeugkomponenten geeignet.
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