Fallstudie:
E-Team Squadra, Universität Pisa, Italien
Von Andrea Marino, Karosserie- und Fahrzeugdynamikmanager, und Elvira Rufolo, Kommunikationsmanagerin

Das E-Team Squadra Corse der Universität Pisa wollte die Front seines Formula-SAE-Rennwagens Galileo neu gestalten. Dabei sollte das Gewicht des Wagens reduziert werden, ohne Festigkeit und Steifigkeit einzubüßen. Um dies umzusetzen, musste das Team aber zunächst wissen, welche Belastungen tatsächlich auf die Struktur einwirken. In Zusammenarbeit mit dem Entwicklungsdienstleister Deltatech und mit Dewesoft wurden dazu die während der Fahrt auf der Rennstrecke auf das Aufhängungssystem wirkenden Kräfte gemessen.
Formula-SAE-Rennwagen

 

In der Formula SAE sind Studierende herausgefordert, kleine Formel-Rennwagen zu entwickeln, zu entwerfen und zu bauen und sich dann mit anderen Teams zu messen. Dabei verwenden die Teams acht bis zwölf Monate auf den Entwurf, den Bau und die Vorbereitung ihrer Fahrzeuge für den Wettbewerb. Dort werden diese dann in einer Reihe statischer und dynamischer Disziplinen bewertet, darunter Entwurf, Kostenanalyse, Projektvorstellung, Solo-Performance-Tests und Ausdauer.

Galileo ist ein Verbrennerfahrzeug mit einem Honda-CBR600RR-Motorradmotor. Der Formula-SAE-Rennwagen zeichnet sich jedoch durch eine bemerkenswerte Innovation aus, nämlich eine einzigartige Hybrid-Fahrgestellkonstruktion. Das Hybrid-Fahrgestell wurde durch die Kombination eines Monocoque im Frontbereich des Fahrzeugs mit einem Gitterrohrrahmen aus Stahl im Heckbereich entwickelt. Das Wort Monocoque ist französisch für „Einzelschale“ und bezeichnet ein Fahrgestell, bei dem die angreifenden Kräfte – ähnlich wie bei der Schale eines Eies – von flächigen Elementen aufgefangen werden. 

Das E-Team Squadra Corse mit seinem Rennwagen GalileoAbb. 1: Das E-Team Squadra Corse mit seinem Rennwagen Galileo

In diesem Jahr war es das Ziel des Teams, den Frontbereich des Fahrzeugs – Fahrgestell, Aufhängung und Radsatz – neu zu gestalten.  Um das Gewicht reduzieren zu können, ohne dabei Steifigkeit einzubüßen, musste man aber zunächst die tatsächlich auf das Auto einwirkenden Belastungen messen und analysieren. Solche Messungen erlauben es nicht nur, die an den Aufhängungen der letzten Saison vorgenommenen Änderungen zu validieren, sondern auch, einen wichtigen Meilenstein für die Entwicklung der Aufhängungskonstruktion für zukünftige Fahrzeugmodelle zu setzen.

Die erfassten Daten werden sowohl für die Konstruktion des Fahrzeugs für die Saison 2022 als auch für die Kalibrierung der Lastberechnungsmodelle verwendet und erlauben die Reduzierung des Gewichts unter Beibehaltung angemessener Sicherheitskoeffizienten mit dem Ziel, Brüche oder Ausfälle zu vermeiden, die die Erfolgsaussichten bei den Wettbewerben schmälern könnten.

Der Messvorgang – und die Unterstützung durch Dewesoft – wirkte sich nicht nur positiv auf die Performance des Fahrzeugs aus, sondern ist auch eine hervorragende Visitenkarte für den Statiktest in der Entwurfsdisziplin, in deren Rahmen der Konstruktionsprozess des Fahrzeugs mit den Juroren diskutiert wird.

Nicht zuletzt geht es bei der Formula Student darum, zukünftigen Ingenieuren und Hochschulabsolventen die Möglichkeit zu geben, sich mit realen Problemen und Situationen auseinanderzusetzen, denen sie später in ihrer beruflichen Laufbahn begegnen werden. Für das Team boten die Zusammenarbeit mit Dewesoft und die zur Verfügung gestellten professionellen Messinstrumente eine wertvolle Gelegenheit, Erfahrungen zu sammeln.

Messanordnung und verwendete Sensoren

Das Setup zur Durchführung dieser Messungen umfasste verschiedene Phasen, wie z. B. die Vorbereitung des Fahrzeugs für die Aufnahme der Dewesoft-Erfassungssysteme, die Anbringung der Dehnungsmessstreifen und die Verkabelung aller erforderlichen Elemente.

Die Dehnungsmessstreifen wurden unter Nutzung der starken Symmetrie der Struktur auf alle Lenker auf der linken Fahrzeugseite aufgeklebt, und es wurden fünf lineare Potentiometer eingerichtet, vier zur Erfassung der Druckwerte der Aufhängungsfedern und eines zur Erfassung der Auslenkung der Zahnstange und damit des Lenkwinkels.

Mit dem Datenerfassungssystem SIRIUSe-HD-16xSTGS und dem robusten Datenlogger Krypton-CPU von Dewesoft wurden 16 Kanäle – elf Lenker-DMS und fünf lineare Potentiometer – erfasst und aufgezeichnet.

SIRIUSe-HD-16xSTGSAbb. 2: SIRIUSe-HD-16xSTGS

Krypton CPUAbb. 3: Krypton CPU

Ein weiteres wertvolles Werkzeug, das Dewesoft zur Verfügung stellte, war die Navion2i, eine IMU der neuesten Generation, die es uns ermöglichte, zusätzlich zu den Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsdaten auch die Gier-, Nick- und Rollwinkel sowie die zurückgelegte Distanz zu erfassen.

Navion2i IMU4: IMU Navion2i

Dann verklebten einige Teammitglieder in einer kontrollierten Umgebung die uns freundlicherweise von Deltatech zur Verfügung gestellten 350-Ohm-Micro-Measurement-Dehnungsmessstreifen.

Die Verbindung der an Galileo angebrachten Dehnungsmessstreifen zum DatenerfassungssystemAbb. 5: Die Verbindung der an Galileo angebrachten Dehnungsmessstreifen zum Datenerfassungssystem

Die Entscheidung für die Art der Konfiguration resultierte aus einfachen Überlegungen zum Zusammenwirken der einzelnen Lenker. Die Lenker, die mit dem Schubstangenelement (vorne) bzw. der Zugstange (hinten) ein Dreieck bilden, sind grundsätzlich so konzipiert, dass sie sich während des Betriebs biegen. Die Vollbrückenkonfiguration wurde gewählt, um einen großen Teil der durch die Biegung verursachten Verformung zu kompensieren.

Schematische Darstellung der Galileo-Aufhängung
Abb. 6: Schematische Darstellung der Galileo-Aufhängung.

Für die anderen, zwischen Kugelgelenken montierten Lenker reichte es aus, eine Halbbrücke einzurichten, um nur die Temperatur zu kompensieren.

Anschließend wurden die einzelnen Lenker verkabelt, um sie mit dem SIRIUS-Datenerfassungssystem verbinden zu können. Mittels eines einkanaligen IOLITE-Systems konnte überprüft werden, ob alle Verklebungen korrekt ausgeführt wurden.

Unter Nutzung des IOLITE-Systems und der in den Universitätswerkstätten zur Verfügung stehenden Maschinen war es auch möglich, in jeder Hinsicht die Funktion von Wägezellen zu emulieren. Dazu wurde an den individuellen Lenkern, die bekannten Belastungen ausgesetzt waren, das Ausgangsspannungssignal gemessen, um das Verhalten der einzelnen Brücken oder Halbbrücken zu ermitteln.

Anschließend wurden die Lenker wieder am Fahrzeug montiert, das bereits mit zusätzlicher Verkabelung und den Dewesoft-Datenerfassungssystemen ausgestattet war.

Erfassung der Daten mit Dewesoft

Die erforderlichen Messungen wurden zwischen dem 1. und 3. März 2022 mit Unterstützung von Dewesoft Italien durchgeführt.

In der ersten Phase machte sich das Team mit der Dewesoft-Instrumentierung vertraut und führte eine Reihe statischer Tests in der Werkstatt durch. Anschließend wurde Galileo für einige Tests nach draußen gebracht, um die korrekte Erfassung des GPS-Signals und aller SIRIUS-Kanäle zu überprüfen. Außerdem wurde die statische Belastung des Fahrzeugs mit und ohne Fahrer ermittelt.

Am 3. März wurde Galileo dann zur Kartbahn von Siena transportiert, wo eine Reihe dynamischer Tests stattfand:

  • Beschleunigung
  • Skid Pad (Querbeschleunigung)
  • Bremsung
  • Slalomfahrt
  • Runden an der Grip-Grenze

Detail einer der beiden zur Ermittlung der Lagewinkel des Fahrzeugs an Galileo montierten GPS-Antennen der IMU Navion2iAbb. 7: Detail einer der beiden zur Ermittlung der Lagewinkel des Fahrzeugs an Galileo montierten GPS-Antennen der IMU Navion2i

Nachverarbeitung der Daten

Die erfassten Daten wurden in der Dewesoft-Software gefiltert, wobei verschiedene Filtertypen zum Einsatz kamen und jeweils der für die gegebene Situation am besten geeignete Typ ausgewählt wurde:

  • Tiefpassfilter (LPF) mit verschiedenen Bandbreiten oder
  • Filter mit gleitendem Mittelwert.

Die folgenden Screenshots zeigen die von der IMU erfassten Werte (Abb. 8) sowie die erfassten Kraftwerte für eine Gruppe von Lenkern (Abb. 9) und für den vorderen Lenker des unteren Dreiecks der Hinterradaufhängung (Abb. 10). Alle diese Screenshots beziehen sich auf denselben Zeitrahmen.

Linearpotentiometerwerte für die Zahnstangenauslenkung (grünes Signal) und mit der IMU ermittelte Beschleunigungs- und GeschwindigkeitsdatenAbb. 8: Linearpotentiometerwerte für die Zahnstangenauslenkung (grünes Signal) und mit der IMU ermittelte Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsdaten

Mit Dehnungsmessstreifen an einigen Aufhängungslenkern erfasste und berechnete spezifische KräfteAbb. 9: Mit Dehnungsmessstreifen an einigen Aufhängungslenkern erfasste und berechnete spezifische Kräfte

Am hinteren Aufhängungslenker erfasstes KraftsignalAbb. 10: Am hinteren Aufhängungslenker erfasstes Kraftsignal

Nachverarbeitung der erfassten DatenAbb. 11: Nachverarbeitung der erfassten Daten

Die an den einzelnen Lenkern erfassten Kraftwerte wurden mit den Werten verglichen, die aufgrund der Modelle zu erwarten gewesen waren, die es über die Jahre hinweg erlaubt hatten, das Fahrzeug zu entwickeln.

In diese Modelle fließen die Messwerte des parallel zum Stoßdämpfer installierten Potentiometers und die von der IMU erfassten Beschleunigungswerte ein. Die auf die Straße übertragenen und die auf jeden einzelnen Lenker wirkenden Kräfte werden entsprechend berechnet.

Die berechneten Werte wurden dann mit den Schätzwerten verglichen, um unsere Modelle zu validieren (siehe Abb. 12)

Modellvalidierung – mit den berechneten Werten überlagerte SchätzwerteAbb. 12: Modellvalidierung – mit den berechneten Werten überlagerte Schätzwerte

Rekonstruktion der Strecke anhand der Telemetrie und des BeschleunigungsgraphenAbb. 13: Rekonstruktion der Strecke anhand der Telemetrie und des Beschleunigungsgraphen

Fazit

Die Durchführung aller Messungen und der Vergleich mit den erwarteten Ergebnissen war für die Experten mit einem hohen Aufwand verbunden. Vom Aufkleben der Dehnungsmessstreifen bis zur Verkabelung, von der Kalibrierung der Lenker bis zur Datenerfassung auf der Strecke wurde stets mit höchster Präzision vorgegangen.

Um den Gesamterfolg zu sichern, wurden zahlreiche Zwischentests durchgeführt, um beispielsweise die effektive Temperaturkompensation, die Abschwächung des Biegungseffekts oder die Linearität der Messwerte zwischen der angelegten Last und der Ausgangsspannung zu evaluieren.

Wie an Abb. 12 zu erkennen ist, in der die gemessenen und die geschätzten Lasten übereinander gelegt sind, hat die Messkampagne mehr als zufriedenstellende Ergebnisse geliefert und bietet einen hervorragenden Ausgangspunkt für die Entwicklung der Fahrzeuge des E-Team Squadra Corse.

Ein großer Teil des Verdienstes gebührt der Firma Dewesoft, die sich sowohl bei der Vorbereitung des Fahrzeugs als auch während der Tests voll eingebracht hat. Sie haben uns bei diesem Unterfangen in bestmöglicher Weise unterstützt.

Besondere Erwähnung verdient dabei das Datenerfassungssystem SIRIUSi-HD-16xSTGS, das eine korrekte Messung der Verformungen der Aufhängungen ermöglichte, die durch eine hohe Steifigkeit charakterisiert und daher nicht leicht zu messen sind.

Danksagungen

An der Studie mitgewirkt haben auch:

  • Luca Boccacci und Chiara Barontini – Technische Leiter
  • Andrea Marino, Serena Donati, Leonardo Battistini, Matteo Nori, Lorenzo Tirabassi und Andrea Barnaba – Bereich Fahrgestell und Fahrzeugdynamik
  • Samuele Vannoni und Michele Martino – Bereich Elektronik

Die Zusammenarbeit wurde koordiniert von:

  • Federico Manconi
  • Elvira Rufolo
  • Giorgia Schiaffino
  • Arianna Badi - PR Abteilung