Datenaufzeichnung im Motorsport
Fahrzeug- und Fahreroptimierung durch Datarecording - verständlich dargestellt
©2007
Diplomarbeit
118 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Einleitung:
Im Motorsport gewinnt der Fahrer, der am schnellsten fährt. Das schnelle Bewegen eines Fahrzeuges muss zuvor erlernt werden. Das ist zum einen über viel Fahrpraxis möglich, zum anderen aber auch durch die Analyse der Fehler, die gemacht wurden. Ein Fehler kann offensichtlich sein, wenn das Fahrzeug zum Beispiel die Strecke verlässt und durch die Auslaufzonen rollt. Fehler können aber auch schwer zu erkennen sein, wenn es zum Beispiel um die richtige Linienwahl in Kurven oder den Bremspunkt geht. Früher gab es ein Rennergebnis, also eine Zeit pro Runde, die Aussage des Fahrers und die Logik technischer Zusammenhänge um herauszufinden wie die Rundenzeit zustande gekommen ist. Der erste Schritt waren dann Drehzahlmesser mit Speicherfunktion. Mit den Drehzahldaten konnten Traktionsprobleme erkannt und die gefahrenen Runden miteinander verglichen werden. So konnten die Stellen auf der Strecke, die eine langsame Runde von einer schnellen unterscheiden gefunden werden. Der Rückschluss auf die Ursache war dabei nur bedingt möglich. Dazu wurden größere Aufzeichnungsgeräte entwickelt und eingesetzt, die dann auch Lenkwinkel und Gaspedalstellung mit aufzeichnen. So kann untersucht werden, ob der Fahrer eine Passage wirklich mit Vollgas fährt oder doch vorher, meist ohne sich daran zu erinnern, etwas lupft, ob das Fahrzeug untersteuert oder welche Brems- und Einlenkpunkte der Fahrer gewählt hat. Der objektive Vergleich zweier Fahrer und ihres Fahrstils ist durch diese Geräte also erst möglich geworden.
Die Datenaufzeichnung bietet jedoch neben der Fahrerausbildung noch weitere Möglichkeiten, gerade in der Entwicklungsphase eines Fahrzeugs. Mit der Aufzeichnung von Motor- und Fahrwerksdaten können zum Beispiel Fehler und Verbesserungspotential im Setup gefunden werden. Im Spitzensport werden dazu über 200 Signale gemessen, übertragen, gespeichert und ausgewertet. So kann zum Beispiel der Verlauf der Reifentemperatur auf der Rennstrecke in Abhängigkeit zur Spureinstellung gesetzt werden. Nach wenigen Runden im freien Training können Renningenieure dann nur anhand der Daten das optimale Fahrzeugsetup und eine damit maximal mögliche Rundenzeit errechnen.
Der Einsatz von Datenaufzeichnungssystemen im Motorsport ermöglicht eine schnelle sowie zielgerichtete Ausbildung von Fahrern und bildet je nach Ausbaugrad eine objektive Grundlage für Abstimmungsarbeiten und Entwicklungen am Rennfahrzeug […]
Im Motorsport gewinnt der Fahrer, der am schnellsten fährt. Das schnelle Bewegen eines Fahrzeuges muss zuvor erlernt werden. Das ist zum einen über viel Fahrpraxis möglich, zum anderen aber auch durch die Analyse der Fehler, die gemacht wurden. Ein Fehler kann offensichtlich sein, wenn das Fahrzeug zum Beispiel die Strecke verlässt und durch die Auslaufzonen rollt. Fehler können aber auch schwer zu erkennen sein, wenn es zum Beispiel um die richtige Linienwahl in Kurven oder den Bremspunkt geht. Früher gab es ein Rennergebnis, also eine Zeit pro Runde, die Aussage des Fahrers und die Logik technischer Zusammenhänge um herauszufinden wie die Rundenzeit zustande gekommen ist. Der erste Schritt waren dann Drehzahlmesser mit Speicherfunktion. Mit den Drehzahldaten konnten Traktionsprobleme erkannt und die gefahrenen Runden miteinander verglichen werden. So konnten die Stellen auf der Strecke, die eine langsame Runde von einer schnellen unterscheiden gefunden werden. Der Rückschluss auf die Ursache war dabei nur bedingt möglich. Dazu wurden größere Aufzeichnungsgeräte entwickelt und eingesetzt, die dann auch Lenkwinkel und Gaspedalstellung mit aufzeichnen. So kann untersucht werden, ob der Fahrer eine Passage wirklich mit Vollgas fährt oder doch vorher, meist ohne sich daran zu erinnern, etwas lupft, ob das Fahrzeug untersteuert oder welche Brems- und Einlenkpunkte der Fahrer gewählt hat. Der objektive Vergleich zweier Fahrer und ihres Fahrstils ist durch diese Geräte also erst möglich geworden.
Die Datenaufzeichnung bietet jedoch neben der Fahrerausbildung noch weitere Möglichkeiten, gerade in der Entwicklungsphase eines Fahrzeugs. Mit der Aufzeichnung von Motor- und Fahrwerksdaten können zum Beispiel Fehler und Verbesserungspotential im Setup gefunden werden. Im Spitzensport werden dazu über 200 Signale gemessen, übertragen, gespeichert und ausgewertet. So kann zum Beispiel der Verlauf der Reifentemperatur auf der Rennstrecke in Abhängigkeit zur Spureinstellung gesetzt werden. Nach wenigen Runden im freien Training können Renningenieure dann nur anhand der Daten das optimale Fahrzeugsetup und eine damit maximal mögliche Rundenzeit errechnen.
Der Einsatz von Datenaufzeichnungssystemen im Motorsport ermöglicht eine schnelle sowie zielgerichtete Ausbildung von Fahrern und bildet je nach Ausbaugrad eine objektive Grundlage für Abstimmungsarbeiten und Entwicklungen am Rennfahrzeug […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
Michael Gröbel
Datenaufzeichnung im Motorsport
Fahrzeug- und Fahreroptimierung durch
Datarecording - verständlich dargestellt
Diplomica® Verlag GmbH
Gröbel, Michael: Datenaufzeichnung im Motorsport. Fahrzeug- und Fahreroptimierung
durch Datarecording - verständlich dargestellt, Hamburg, Diplomica Verlag GmbH
2007
ISBN: 978-3-8366-5549-1
Druck Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2007
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Printed in Germany
I
Danksagungen
Ich danke Herrn Wolfgang Weber für die Unterstützung und die vielen lehrreichen Hinwei-
se zum Thema. Ebenso möchte ich mich bei allen beteiligten Teams bedanken. Ein weite-
res Dankeschön möchte ich an die Fahrer richten, die mich auch in zeitkritischen Situatio-
nen stets unterstützten und mit mir die Ergebnisse meiner Arbeit neugierig verifizierten.
Bei meinem Referenten, Herrn Prof. Dr.-Ing. Langer, möchte ich mich ebenfalls für die
hervorragende Unterstützung und die vielen hilfreichen Anregungen bedanken.
Besonderer Dank gilt meiner Familie, Ela und meinen Freunden, die mich im Studium und
während dieser Arbeit stets unterstützt haben.
III
Inhaltsverzeichnis
Danksagungen... I
Inhaltsverzeichnis ... III
1
Einleitung... 1
2
Stand der Technik ... 3
2.0
Historische Entwicklung ... 3
2.1
Einführung... 5
2.2
Funktionsweise einer Datenaufzeichnung ... 7
2.3
Hardware der Systeme ... 12
2.4
Benchmark der Hersteller ... 23
3
Software Funktion ... 41
3.1
Aufgabe der Software ... 41
3.2
Analyse der Daten... 41
4
Das Fahrzeug ... 51
4.1
Technische Details des untersuchten Fahrzeuge ... 51
4.2
Beschreibung der verwendeten Hard- und Software ... 52
5
Versuchsreihen ... 53
5.0
Aufnahme der Daten ... 53
5.1
Bedingungen, Durchführung, Besonderheiten Fahrtraining... 53
5.2
Bedingungen, Durchführung, Besonderheiten Rennwochenende ... 62
6
Diskussion ... 87
6.1
Aussage und Einsatzmöglichkeiten ... 87
6.2
Störungserkennung... 88
6.3
Arbeitserleichterung oder zusätzliche Arbeit... 88
6.4
Wirtschaftlichkeit ... 89
7
Ausblick ... 91
7.1
Entwicklung des Sports... 91
7.2
Weiterentwicklung der Systeme ... 92
7.3
Sinnvolle Erweiterung des Systeme... 93
IV
8
Zusammenfassung ...97
9
Anhang...99
9.1
Literaturverzeichnis...99
9.2
Abbildungsverzeichnis ...101
9.3
Tabellenverzeichnis ...105
1
1 Einleitung
Im Motorsport gewinnt der Fahrer, der am schnellsten fährt. Das schnelle Bewegen eines
Fahrzeuges muss zuvor erlernt werden. Das ist zum einen über viel Fahrpraxis möglich,
zum anderen aber auch durch die Analyse der Fehler, die gemacht wurden. Ein Fehler
kann offensichtlich sein, wenn das Fahrzeug zum Beispiel die Strecke verlässt und durch
die Auslaufzonen rollt. Fehler können aber auch schwer zu erkennen sein, wenn es zum
Beispiel um die richtige Linienwahl in Kurven oder den Bremspunkt geht. Früher gab es
ein Rennergebnis, also eine Zeit pro Runde, die Aussage des Fahrers und die Logik tech-
nischer Zusammenhänge um herauszufinden wie die Rundenzeit zustande gekommen ist.
Der erste Schritt waren dann Drehzahlmesser mit Speicherfunktion. Mit den Drehzahlda-
ten konnten Traktionsprobleme erkannt und die gefahrenen Runden miteinander vergli-
chen werden. So konnten die Stellen auf der Strecke, die eine langsame Runde von einer
schnellen unterscheiden gefunden werden. Der Rückschluss auf die Ursache war dabei
nur bedingt möglich. Dazu wurden größere Aufzeichnungsgeräte entwickelt und einge-
setzt, die dann auch Lenkwinkel und Gaspedalstellung mit aufzeichnen. So kann unter-
sucht werden, ob der Fahrer eine Passage wirklich mit Vollgas fährt oder doch vorher,
meist ohne sich daran zu erinnern, etwas lupft, ob das Fahrzeug untersteuert oder welche
Brems- und Einlenkpunkte der Fahrer gewählt hat. Der objektive Vergleich zweier Fahrer
und ihres Fahrstils ist durch diese Geräte also erst möglich geworden.
Die Datenaufzeichnung bietet jedoch neben der Fahrerausbildung noch weitere Möglich-
keiten, gerade in der Entwicklungsphase eines Fahrzeugs. Mit der Aufzeichnung von
Motor- und Fahrwerksdaten können zum Beispiel Fehler und Verbesserungspotential im
Setup gefunden werden. Im Spitzensport werden dazu über 200 Signale gemessen, über-
tragen, gespeichert und ausgewertet. So kann zum Beispiel der Verlauf der Reifentempe-
ratur auf der Rennstrecke in Abhängigkeit zur Spureinstellung gesetzt werden. Nach we-
nigen Runden im freien Training können Renningenieure dann nur anhand der Daten das
optimale Fahrzeugsetup und eine damit maximal mögliche Rundenzeit errechnen.
Der Einsatz von Datenaufzeichnungssystemen im Motorsport ermöglicht eine schnelle
sowie zielgerichtete Ausbildung von Fahrern und bildet je nach Ausbaugrad eine objektive
Grundlage für Abstimmungsarbeiten und Entwicklungen am Rennfahrzeug selbst.
3
2
Stand der Technik
2.0 Historische
Entwicklung
Die ersten Rennen wurden bereits kurz nach der Erfindung des ersten Automobils gefah-
ren. Man fuhr damals mit den sehr einfachen Serienfahrzeugen Rennen von Stadt zu
Stadt, um die Haltbarkeit der Fahrzeuge unter Beweiß zu stellen. 1887 fand die erste
32km lange Fernfahrt von Paris nach Versailles statt. Durch diese Langstreckentests
konnten bereits erste Erkenntnisse in Punkto Haltbarkeit und Zuverlässigkeit in die Ent-
wicklung der Fahrzeuge mit einfließen. Als es zum ersten Mal Tote bei einem Rennen
gab, wurde beschlossen, die Rennen nur noch auf speziellen Rennstrecken zu fahren.
Diese waren zunächst jedoch nichts anderes als abgesperrte, geschotterte Landstraßen.
Der erste Grand Prix wurde 1906 in Le Mans gefahren. Damals mussten die Fahrer eine
Streckenlänge von 103km zwölf Mal zurücklegen. Schon bald begann die Entwicklung
hochmotorisierter Sportwagen, die nur zum Rennen fahren gebaut wurden. Es handelte
sich hierbei um die Formel 1. Die erste Formel 1 Weltmeisterschaft fand 1950 statt. Der
Gewinner fuhr einen Tipo 158 - es handelt sich hierbei um eine Weiterentwicklung eines
Rennwagens von 1938 - 8 Zylinder 1,5 Liter Kompressor Motor mit 370PS bei 8500U/min.
Die Spitzengeschwindigkeit lag im 4. und letztem Gang bei 290km/h.
Abb. 1: Alfa Romeo Tipo 158 /18/
Durch die fehlenden Sicherheitseinrichtungen gab es immer wieder schwere Unfälle, die
zu Diskussionen um den Fortbestand des Sports führten. Die Fahrer trugen weder Helme
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noch feuerfeste Kleidung. Im Laufe der letzten 50 Jahre wurden aus hochmotorisierten
Seifenkisten hochtechnisierte Sportgeräte, nahezu unbezahlbare Technologieträger. Die
Fahrer tragen feuerfeste Kleidung, spezielle Helme und Kopfrückhaltesysteme (HANS-
Head and Neck Support), die einen Genickbruch verhindern. Sie sind geschützt durch
Gurtsysteme und spezielle Sicherheitszellen, auch Monocock genannt. Für Rennstrecken
wurden spezielle Abnahmeprotokolle vorgeschrieben, die unter anderem die Größe der
Auslaufzonen und Rettungswege vorschreiben. Die Überlebenschancen der Fahrer sind
durch diese Sicherheitsmaßnamen deutlich gestiegen. Heutige Formel 1 Fahrzeuge wie-
gen mit 600 Kg gute 100Kg weniger als früher und sind mit über 700PS aus einem 2,4
Liter 8 Zylinder bei 19.000U/min auch deutlich stärker motorisiert.
Abb. 2: Aktuelles Formel 1 Fahrzeug /19/
Was die Datenaufzeichnung und Auswertung betrifft, ist die Formel 1 führend. In keiner
anderen Motorsport Serie werden so viele Daten aufgezeichnet. Außer der sehr großen
und budgetstarken Formel 1 bildeten sich auch andere Motorsportarten aus. Neben ver-
schiedenen Formel- und Tourenwagen Serien gibt es verschiedene Ralley Serien, sowie
den Breiten- und Einsteigersport. Hierzu zählen Slalom und Bergrennen sowie Tournier-
fahrten. Das sportliche Niveau in diesen Serien ist zum Teil beachtlich hoch.
Für die Automobilindustrie dient der Sport neben Werbezwecken auch dem Erforschen
und Testen von neuen Technologien, wie z.B. Diesel- oder Bio Kraftstoffen. Von den
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Ergebnissen dieser Forschungen profitieren auch die Serienstraßenfahrzeuge, denn viele
Entwicklungen aus dem Motorsport werden später auch in die Serien übernommen. Durch
das breite Angebot von ,,preisgünstigen" Motorsportarten haben viele Fahrer die Chance,
ihr Können unter Beweiß zu stellen und zu verbessern. Die besten dieser Serien qualifi-
zieren sich zum Beispiel als Testfahrer für die Fahrwerksentwicklung. Dass der Sport für
die Automobilbranche einen hohen Stellenwert hat, beweißt auch das Engagement der
Hersteller. Neben vielen Junior Teams und Förderprogrammen gibt es vielfältige Koopera-
tionen zwischen Zulieferern, Werken und Motorsportteams. Honda stellte vor wenigen
Jahren sogar ein Fahrzeug auf dem die deutsche Slalom Meisterschaft ausgefahren
wurde. Der Sieger erhielt als Gewinn einen fabrikneuen Honda.
2.1 Einführung
Ein Datenaufzeichnungssystem übernimmt an der Stelle, an der die herkömmlichen
Instrumente im Fahrzeug aufhören. Die herkömmlichen Instrumente zeigen Motor und
Fahrzeugdaten wie Geschwindigkeit, Drehzahl, Wassertemperatur und Öldruck in Echt-
zeit an. Jedoch werden die Informationen nicht gespeichert. So kann die Maximaldrehzahl
nur in dem Moment abgelesen werden, in dem der Motor mit dieser Drehzahl läuft. Das
hat gerade im Renneinsatz den Nachteil, dass der Fahrer wichtige Informationen, wie zum
Beispiel ein Öldruckverlust beim Durchfahren einer Senke nicht sieht, da er gerade nicht
auf die Instrumente geachtet hat. Des Weiteren wird es schwer sein, sich für jede ent-
scheidende Stelle einer Rennstrecke, die Eingangs-, Durchfahrts- und Ausfahrtsge-
schwindigkeit zu merken, besonders dann, wenn die Strecke sehr lang und der Fahrer
noch nicht so routiniert ist. Ein Datenaufzeichnungssystem hat zunächst die gleiche Funk-
tion wie die Anzeigeinstrumente im Cockpit: es misst Fahrzeugdaten. Darüber hinaus
speichert es jedoch alle Daten, die es misst, so dass diese zu einem späteren Zeitpunkt
verfügbar sind. Viele Datenaufzeichnungssysteme haben eine Anschlussmöglichkeit für
Instrumente und Anzeigen, so dass die herkömmlichen Instrumententafeln überflüssig
werden. So stehen nach einem Rennen alle Daten, die das System aufgezeichnet hat für
eine Analyse zur Verfügung. Das einfachste und zugleich älteste Datenaufzeichnungssys-
tem ist der Tachograph oder auch Fahrtenschreiber, der in allen gewerblich genutzten
Fahrzeugen mit einem zulässigen Gesamtgewicht von mehr als 3,5 Tonnen zu finden ist.
6
Abb. 3: Tachoscheiben /20/
Der Fahrtenschreiber protokolliert alle entscheidenden Daten wie Uhrzeit, Lenkzeit und
Ruhepausen, den zurückgelegten Weg und die Geschwindigkeit. Eine Tachoscheibe stellt
eine Aufzeichnungsdauer von 24Stunden dar. Daher müssen sie jeden Tag oder beim
Wechseln des Fahrers gewechselt werden.
Durch die so gewonnenen Daten ist es möglich Geschwindigkeits- oder Lenkzeitverstö-
ßen auch nach längeren Zeiträumen nachzuweisen. So kann etwa im Falle eines Unfalles
eine Plausibilitätsuntersuchung des Unfalles und der Aussagen sowohl von Zeugen als
auch der des Fahrers gemacht werden. Tachoscheiben sind gültige Dokumente und wer-
den vor Gericht verwendet. Seit Mai 2006 sind neue voll elektronische Geräte, die auf
eine Chipkarte aufzeichnen vorgeschrieben. Diese Geräte verwenden die gleiche Technik
wie die in diesem Buch untersuchten Geräte.
Datenaufzeichnungssysteme werden häufig mit Telemetriesystemen verwechselt.
Telemetrie meint dem Begriff nach Fernmessung und bezeichnet somit die Übertragung
von Messwerten eines am Messort befindlichen Messfühlers (Sensor) zu einer räumlich
getrennten Stelle.
Somit ist das Telemetriesystem zwar durchaus ein Datenaufzeichnungssystem, jedoch
mit der Besonderheit, dass es eine ständige Verbindung zwischen dem im Fahrzeug in-
stallierten System und dem fest stationierten Auswertungscomputer gibt. Telemetrie-
systeme finden im Spitzensport bei verschiedenen Formelserien und sehr großen Tou-
7
renwagenserien Anwendung. Die Übertragung und Echtzeitauswertung der Daten ist in
der Praxis sehr teuer und daher im Breitensport nur äußerst selten anzutreffen.
2.2
Funktionsweise einer Datenaufzeichnung
Abb. 4: Logische Abfolge einer Aufzeichnung
Ein Datenaufzeichnungssystem (DAS) hat die Aufgabe, physikalische Größen zu messen,
zu speichern und für eine spätere Analyse bereitzustellen. Grundsätzlich bedeutet dies,
dass ein Sensor eine Größe misst. Das kann ein fahrzeugeigener Sensor sein, wie zum
Beispiel das Drosselklappenpotentiometer oder auch ein nachgerüsteter Sensor, wie zum
Beispiel ein Federwegaufnehmer. Der Sensor wandelt dann die vorliegende Größe (Kraft,
Weg, Temperatur, etc) in eine messbare elektrische Spannung um und stellt diese, meist
über eine Kabelverbindung, dem Datenaufzeichnungssystem zur Verfügung. Das Daten-
aufzeichnungssystem speichert die anliegende Spannung. Nachdem die Messungen, also
die Rennen oder die Testläufe beendet sind, müssen die aufgezeichneten Spannungs-
werte ausgelesen werden. Dazu wird in den meisten Fällen eine Kabelverbindung über
einen Laptop (RS232/USB) mit dem System hergestellt. Die einzelnen Spannungswerte
werden nun durch die auf dem Laptop aufgespielte Software aufbereitet und dargestellt.
Je nach Software sind nun Streckenpläne, Diagramme, die Sensorkalibrationen, etc dar-
stellbar. An dieser Stelle beginnt die Arbeit des Auswertungsbeauftragten mit der Analyse
der vorliegenden Daten.
2.2.1 Messgrößen
Die Messgrössen, die mittels eines Datenaufzeichnungssystems an einem Fahrzeug
ermittelt werden können, lassen sich in 3 Hauptkategorien einteilen: motor-, fahrzeug- und
fahrerbezogene Messgrößen.
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- Motorbezogene Größen
Unter motorbezogene Größen fallen alle Daten und Werte, die im direkten Zusammen-
hang mit dem Motor stehen, wie zum Beispiel: Drehzahl, Benzin und Öldruck, Wasser und
Öldruck, Wasser und Öltemperatur, Ladedruck, Abgastemperatur, Batteriespannung,
Ansauglufttemperatur, Gaspedalstellung, Zündwinkel, Lambda, uvm.
- Fahrzeugbezogene Größen
Unter fahrzeugbezogene Größen fallen alle Größen, die direkt am Fahrzeug messbar
sind, wie zum Beispiel: Geschwindigkeit, Lenkwinkel, Längs- und Seitenkräfte, Brems-
druck, Dämpferbewegung, Gang, Fahrzeughöhe, Drehmoment an der Antriebswelle,
Radlasten, Luftgeschwindigkeit, Reifendruck und Temperatur, Bremsscheibentemperatur,
etc.
- Fahrerbezogene Größen
Fahrerbezogene Größen all jene Daten auf die der Fahrer direkten Einfluss hat und be-
schränken sich somit auf Lenkung, Gaspedal, Bremspedal, Kupplung und Schalthebel,
denn das ist alles, was der Fahrer an Output an das gesamte Fahrzeugsystem gibt und
mit dem er beeinflusst, wie schnell er fahren wird. Aus diesen Eingangsgrößen ergeben
sich Längs- und Querkräfte, Geschwindigkeit und Drehzahl, ein Abruf der Motor- und
Bremsleistung, sowie verschiedene Belastungen des Fahrwerks und der Karosserie, also
fahrzeug- sowie motorbezogene Größen. Somit sind fahrerbezogene Größen also die
Ursache aller anderen Größen.
2.2.2 Sensoren und Kanäle
Zur Aufnahme und Speicherung aller physikalischen Größen in einem Datenaufzeich-
nungssystem werden Sensoren benötigt, denn sie bilden das Bindeglied zwischen Um-
welt und Technik. Wie Eingangs erwähnt hat ein Sensor die Aufgabe einen Zustand in
eine elektrische Größe umzuwandeln. Man unterscheidet generell zwischen aktiven und
passiven Sensoren.
Ein aktiver Sensor generiert erst durch Anlegen einer Versorgungsspannung ein Aus-
gangssignal. Ein passiver Sensor liefert ohne Anlegen einer Versorgungsspannung ein
Messsignal.
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Passive Sensoren bestehen ausschließlich aus passiven Elementen, wie Spule, Konden-
sator und Widerstand. Zu solchen passiven Sensoren gehören in der Regel etwa Tempe-
ratursensoren, welche die Veränderung der Leitfähigkeit bei Veränderung der Temperatur
nutzen. Sie gehören zur Untergruppe der resistiven Sensoren. Ebenfalls zur Kategorie der
passiven Sensoren gehören Kapazitive Wegsensoren. Diese bestehen im Wesentlichen
aus einem Rohr, in das ein Metallstab eingeführt wird. Die Kapazität des Kondensators
ändert sich mit der Eintauchtiefe des Stabes und kann so mit einer Wechselstrombrücke,
die um einen Kondensator ergänzt wird, oder mit einem LC-Schwingkreis gemessen wer-
den. Sensoren dieser Kategorie können auch für die Beschleunigungs- oder Druckmes-
sung eingesetzt werden.
Aktive Sensoren verfügen über einen Ausgang, der das Messsignal direkt als analogen
Spannungswert oder in digitaler Form, als binäre Zahl kodiert, bereitstellt. Deswegen
benötigen sie immer eine Spannungsversorgung. Aktive Sensoren sind auch unter dem
Namen SOC System on Chip bekannt, da sich häufig Sensor und Elektronik auf einem
Chip unterbringen lassen. Der Vorteil dieser Sensoren liegt in ihrer geringen Störanfällig-
keit, der kompakten Bauform und der hohen Messgenauigkeit.
In der Praxis bedeutet dies eine Vielzahl von Möglichkeiten, die gewünschten Mess-
größen aufzunehmen. So kann etwa der Lenkwinkel über einen resistiven Drehwinkelsen-
sor an der Lenkstange aufgenommen werden, genauso aber auch über einen kapazitiven
an der Spurstange oder einen induktiven Sensor, der über eine feine Verzahnung an der
Lenkstange angebracht wird und somit den gesamten Lenkwinkel entsprechend einer
Verzahnung unterteilt.
Entscheidend für die Auswahl eines Sensortyps sind neben dem Preis auch die Einbau-
möglichkeiten und die Fehlerwahrscheinlichkeit. Wenn die Platzverhältnisse es zulassen
sollte ein hochsensibler Sensor besser Spritwasser- und Schlag geschützt im Fahrzeug
verbaut sein als direkt an der Spurstange angebracht zu werden. Ferner ist es bei der
Auswertung der Daten einfacher einem bestimmten Lenkwinkel einen bestimmten Zah-
lenwert zuzuordnen - wie zum Beispiel voller Linkseinschlag 1 Volt, Mittenposition 3 Volt
und voller Rechtseinschlag 5 Volt - als den gesamten Lenkwinkel in 1,5 (Lenkradumdre-
hungen) mal 360 Impulse zu unterteilen.
Jeder Sensor stellt dem Datenaufzeichnungssystem ein Messsignal zur Verfügung, dazu
ist der Sensor an einem Kanal des Datenaufzeichnungssystems angeschlossen. Pro
10
Kanal kann immer nur ein Sensor angeschlossen und überwacht werden. Die Anzahl der
verfügbaren Kanäle ist direkt proportional zum Preis der Systeme.
2.2.3 Abtastfrequenz und Speicher
Neben der Anzahl von Kanälen gibt es zwei weitere wichtige Kennzahlen zur Beurteilung
von Datenaufzeichnungssystemen. Zum einen die Abtastfrequenz oder auch Abtastrate
und zum anderen den verfügbaren Speicher um die gewonnen Daten zu speichern. Die
Abtastrate gibt an wie oft pro Sekunde das vom Sensor anliegende Messsignal aufge-
zeichnet wird. Bei einer 10Hz Abtastrate geschieht dies 10-mal pro Sekunde. Dies ist
auch die Abtastrate, welche die meisten preisgünstigen Systeme anbieten. Im mittleren
Preissegment findet man dann Abtastraten um die 20Hz und im High End Bereich voll
variable Abtastraten für jeden Kanal von 0,1Hz bis zu 1kHz. Es ist jedoch nicht immer
sinnvoll mit hohen Abtastraten zu arbeiten. Die Kühlwassertemperatur wird sich innerhalb
einer Zehntelsekunde nicht maßgeblich ändern, was bedeutet, dass es ausreichend ist sie
alle 10 Sekunden zu messen. Die Stoßdämpferposition hingegen kann sich im Rennbe-
trieb mit bis zu 30cm pro Sekunde verändern, wenn zum Beispiel ein Kurb überfahren
wird oder während einer Rallye ein Schlagloch auftritt. Wird dieser Kanal nun mit 10Hz
abgetastet, so erfolgt eine Aufzeichnung des Signals alle 0,1 Sekunden. Innerhalb von
0.05Sekunden kann der Dämpfer bereits 1,5cm Weg zurücklegen, ohne dass das System
diese Bewegung wahrnimmt. Soll nun untersucht werden wie das Fahrzeug auf hochfre-
quente Anregungen reagiert, ist dies mit dieser Abtastrate also nicht möglich, weil Daten
fehlen. Soll hingegen der Einfluss des Aerodynamikpaketes auf die Fahrzeughöhe unter-
sucht werden oder das Roll- und Nickverhalten, ist die Abtastrate gut gewählt, da diese
kurzen Auslenkungen, die durch Unebenheiten der Straße bedingt sind, bereits zum Teil
gefiltert werden und nicht unnötig viele Daten aufgezeichnet werden.
Der Speicher in den Systemen ist begrenzt und lässt sich aus der Anzahl der Kanäle, der
Abtastrate und der Aufnahmezeit ermitteln. Je mehr Kanäle mit hoher Abtastrate über
einen größeren Zeitraum aufgenommen werden, desto größer muss der Speicher sein. Es
gilt:
Aufnahmezeit + Anzahl der Kanäle + Abtastrate = Größe des Speichers
Bei den meisten Systemen sind die Kanäle und der Speicherplatz modular erweiterbar.
Die Größe des Speichers sowie der Umfang und die Anzahl der individuell einstellbaren
11
Abtastraten sind ebenfalls direkt proportional zum Preis der Systeme. Unter Umständen
kann es sinnvoll sein, ein System mit vielen Kanälen und hoher Abtastrate aber kleinem
Speicher zu erwerben, da die Gesamtaufnahmezeit nur dann eine Rolle spielt, wenn nach
Ablauf der Aufnahmezeit nicht auf das Fahrzeug und die Daten zugegriffen werden kann
und somit Daten verloren gehen würden. Ein Fahrer der Bergrennen oder Slalomrennen
fährt, kann nach jedem Lauf, der ca. 1-6 Minuten dauert das System auslesen und somit
Geld für große Speicher sparen. Ein Rundstreckenfahrer benötigt schon mindestens
20min, in der Langstrecke auch 6 Stunden Aufnahmezeit, da die Tankstopps nicht genug
Zeit zum Datentransfer bieten.
2.2.4 Übertragung und Analyse der Daten
Um an die vom Datenaufzeichnungssystem gespeicherten Daten zu gelangen muss der
Speicher des Systems ausgelesen werden. Üblicherweise wird dazu meist das fest im
Fahrzeug installierte System mittels Kabel mit einem Laptop verbunden. Früher wurde
hierzu die RS232 Schnittstelle verwendet oder besondere Datenprotokolle, die dann mit-
tels eines speziellen Modems mit den RS232 Port verbunden wurden. Mittlerweile findet
die Kommunikation schneller über USB 2.0 statt, da unter anderem auch bereits die meis-
ten Laptops keinen RS 232 Port besitzen. Eine weitere Alternative zu USB ist die Spei-
cherung der Daten auf Compact Flash Karten. Der Speicherplatz auf dem System durch
diese einfach erweiterbar und die Karte mit den Renndaten kann während eines Bo-
xenstopps schnell gegen eine zweite, unbeschriebene ausgetauscht werden. Das ist
während der schnellen und zumeist hektischen Boxenstops sicherer und praktikabler als
eine Datenverbindung über USB aufzubauen.
Sobald die Daten auf dem PC sind, stehen sie der Auswertungssoftware zur Verfügung.
Nach dem Einlesen der Daten mit der Software können die Daten auf unterschiedliche
Weise betrachtet werden. In der Regel ist es möglich, die reinen Zahlenwerte in tabellari-
scher Form zu betrachten und daraus Diagramme zu erstellen. Teilweise übernimmt auch
die Software diesen Schritt und ermöglicht dem Anwender die Auswahl der gewünschten
Werte als Drop Down Menü oder zeigt sie bereits in vorher festgelegten Anzeigeschemata
an. In diesen Diagrammen wird meist die Zeit oder die Entfernung in die X Achse gelegt
und auf der Y Achse werden dann die aufgenommen Werte dargestellt. Eines der wich-
tigsten Diagramme ist die Geschwindigkeit aufgetragen über der Entfernung. In dieser
Ansicht können verschiedene Runden schnell miteinander verglichen werden. Die Länge
12
der Strecke ist bekannt und so können die einzelnen Runden schnell in der X Achse un-
terschieden werden. Auch wenn die meisten Programme bereits Streckenpläne und Run-
denzeiten anbieten, sollte ein guter Datenauswerter oder Fahrer in der Lage sein erste
Aussagen über die Messreihe anhand dieses Diagramms zu tätigen. Im nächsten Schritt
wird die Ansicht der Daten dann verfeinert und durch verschiedene Algorithmen weiter
aufbereitet. So ist sogar die Darstellung des Kamm`schen Kreises, also die Ausnutzung
der Reifenhaftung über 2 Achsen, darstellbar.
2.3
Hardware der Systeme
Ein Datenaufzeichnungssystem besteht in der Praxis aus der Aufzeichnungseinheit und
den verschiedenen Sensoren mit den zugehörigen Leitungen. Als Erweiterung können
meist Display und Zeigerinstrumente zusätzlich angeschlossen werden. Bei manchen
Systemen ist das Aufzeichnungsgerät zusammen mit dem Display in einem Gehäuse.
2.3.1 Das
Aufzeichnungsgerät
Generell sollte die Aufzeichnungseinheit, soweit möglich, immer im Fahrzeug verbaut
werden, um möglichst geschützt vor Öl, Benzin, Wasser, Hitze und elektromagnetischer
Strahlung, zum Beispiel durch das Zündsystem, zu sein. Da in der Aufzeichnungseinheit
elektronische Komponenten verbaut sind, ist die gesamte Einheit auch nur begrenzt un-
empfindlich gegen Hitze und Vibration. Die meisten Geräte können bis 60°C verwendet
werden. Da Rennfahrzeuge in der Regel keine Klimaanlagen besitzen, fast immer im
Sommer eingesetzt werden und während des Rennens auch die Fenster aus aerodyna-
mischen Gründen geschlossen gehalten werden, können 60°C je nach Einbauort schnell
erreicht werden. Die Aufzeichnungseinheit sollte möglichst tief im Innenraum angebracht,
jedoch wenn möglich nicht direkt auf den Fahrzeugboden geschraubt werden, da die
Vibrationen in einem Rennfahrzeug erhebliche Schäden an der empfindlichen Elektronik
verursachen können. Die meisten Hersteller liefern Antivibrationsklebestreifen mit oder
empfehlen die Systeme auf ein Extrablech zu montieren, das dann auf dem Fahrzeugbo-
den fest montiert wird. Durch die Befestigung der Einheit mit Abstand zur Bodengruppe
des Fahrzeugs entsteht ein weiterer Vorteil, da das Gerät von Hitze aus der Bodengruppe
isoliert wird. Der Fahrzeugboden ist in der Regel befreit von allen Dämmstoffen und Wär-
13
meleitblechen. Zum einen wird der Fahrzeugboden über den Motor und das Getriebe,
zum anderen aber auch durch die Abgasanlage, die direkt unter dem Fahrzeugboden
verläuft erheblich erhitzt. Sind in der Aufzeichnungseinheit auch gleichzeitig die Sensoren
für Längs- und Querkräfte verbaut, so sollte die Einheit unbedingt in Schwerpunktnähe
des Fahrzeugs angebracht werden. Wird der Querbeschleunigungssensor zum Beispiel
weit im Heck des Fahrzeugs verbaut, kommt es zu falschen Querbeschleunigungswerten
beim Übersteuern.
Abb. 5: Vibrationsgeschützes Gehäuse zur Unterbringung der Aufzeichnungseinheit in
offenen Sportfahrzeugen
Abb. 6: Datenaufzeichnungssystem auf einem Extrablech /1/
14
Geschwindigkeitssensoren
In der Regel messen Geschwindigkeitssensoren Umdrehungen, wie Kurbelwellensenso-
ren oder OT Geber. Dazu wird ein induktiver Sensor verwendet, der die Änderung des
elektromagnetischen Feldes misst. An dem Sensor wird dann im Abstand von 1-2mm eine
Verzahnung vorbeigeführt. Der Sensor erfasst die Änderung des magnetischen Feldes,
die er als einen Spannungswert an die Aufzeichnungseinheit weitergibt. Mittels der Soft-
ware kann nun einem Spannungswert eine Umdrehungszahl zugeordnet werden. Einer
Radumdrehungszahl kann dann eine Geschwindigkeit zugeordnet werden.
Abb. 7: Induktiver Drehzahlsensor /21/
Bei den aktuellen Fahrzeugen werden dazu meist die ABS Sensoren, die an allen 4 Rä-
dern vorhanden sind, genutzt. So können Fehler wie zum Beispiel ein stehendes Rad
beim Anbremsen vor einer Kurve, eine kurz blockierte Achse beim Zurückschalten oder
der Schlupf, auf der angetriebenen Achse erkannt und kompensiert werden. Die Kenntnis
der Raddrehzahlen ist jedoch nicht ausreichend, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs
zu bestimmen. Zum einen gibt es an allen Rädern im Fahrbetrieb immer Schlupf, zum
anderen ändert sich der Raddurchmesser bei steigender Geschwindigkeit und Belastung.
Der dynamische Raddurchmesser ist nur sehr schwer zu ermitteln, da nicht nur die Belas-
tung des Rades eine Rolle spielt, sondern auch der Verschleiß des Reifens. Daher gibt es
auch noch andere Möglichkeiten die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs zu messen. In den
Formelklassen wird dazu meist ein Pitotrohr eingesetzt.
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Abb. 8: Pitotrohr an der Front eines Formel Renault Fahrzeuges
Mit dem Pitotrohr wird die absolute Windgeschwindigkeit für das Fahrzeug gemessen. Die
Messung wird durch den Wind der Umwelt beeinflusst. Jedoch ist die absolute Windge-
schwindigkeit massgeblich wenn es um die Aerodynamik des Fahrzeuges geht. Die Ein-
bauposition des Pitotrohres sollte im Windkanal ermittelt werden, um Störungen durch die
Luftströmung auszuschließen.
Mit etwas weniger Aufwand und günstiger kann die absolute Geschwindigkeit des Fahr-
zeugs über das GPS Signal ausgewertet werden. Dazu wird im Fahrzeug eine GPS An-
tenne angebracht. Das GPS Modul ermittelt über die Zeit- und Ortskoordinaten der emp-
fangenen Satelliten den Ort und die Geschwindigkeit, mit der sich das Fahrzeug auf der
Erdoberfläche bewegt. Um genaue Werte zu erhalten werden mindestens 4 Satelliten
benötigt. Je öfter der Empfänger das empfangene Signal auswertet, desto genauer wird
die Geschwindigkeitsmessung. Die Abtastrate von GPS Sensoren ist direkt proportional
zu ihrem Preis. Ein weiteres Qualitätsmerkmal der Sensoren ist die Geschwindigkeit mit
der neue Satelliten gefunden und ein Signal wiederhergestellt werden kann, nachdem es
verloren gegangen ist, wie zum Beispiel beim Durchfahren einer Brücke. Ihre herkömmli-
chen Abtastraten beginnen bei 5Hz und enden bei ca. 25Hz für Präzisionsmessungen.
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Die Messdaten werden in der Regel mit den Messdaten der Beschleunigungssensoren
kombiniert, was zu höherer Genauigkeit führt. Die GPS Geschwindigkeitsmessung funkti-
oniert nicht zuverlässig bei Hallenveranstaltungen, wie zum Beispiel Kartrennen oder
Indoor Endurosport. Befindet sich eine dicke Wolkendecke über der Strecke kann es zu
Störungen oder Ausfällen der Messung kommen.
2.3.2 Positions- und Abstandssensoren
Diese Sensoren messen Abstände oder Winkel. Im nächsten Bild ist ein Laser Abstands-
sensor zu erkennen.
Abb. 9: Messung der Fahrzeughöhe /22/
Diese Sensoren werden zur berührungslosen Abstandsmessung eingesetzt. Zum Beispiel
um die Fahrzeughöhe während der Fahrt zu bestimmen. Von dem Sensor wird ein Laser-
strahl zu dem zu messenden Objekt gesendet und von einem integrierten Empfänger
wieder empfangen. Aus der Zeitdifferenz zwischen Senden und Empfangen wird dann der
Abstand zu dem Objekt errechnet und dem Datenaufzeichnungssystem als Spannungs-
wert zur Verfügung gestellt. Diese optischen Sensoren haben den Nachteil, dass sie ver-
schmutzen können, was gerade im Renneinsatz bei Regen schnell geschehen kann.
Daher sollten diese Sensoren sehr sorgfältig an ausgewählten Positionen im Fahrzeug
verbaut werden. Alternativ zur optischen berührungslosen Abstandsmessung gibt es auch
Ultraschallmessmethoden, die im Motorsport allerdings seltener Anwendung finden.
Muss die Messung nicht berührungslos erfolgen, werden in der Regel Längensensoren
eingesetzt. Diese funktionieren wie ein Potentiometer. Es gibt lineare Längenaufnehmer
auch als kapazitive Sensoren. Diese nutzen den Effekt der Kapazitätsänderung durch
Veränderung des Feldes zwischen den Platten. Dies geschieht beim Längensensor durch
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Erscheinungsjahr
- 2007
- ISBN (eBook)
- 9783836605496
- ISBN (Paperback)
- 9783836655491
- DOI
- 10.3239/9783836605496
- Dateigröße
- 7.5 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Technische Hochschule Köln, ehem. Fachhochschule Köln – Fahrzeugtechnik, Studiengang Fahrzeugtechnik
- Erscheinungsdatum
- 2007 (September)
- Note
- 1,3
- Schlagworte
- automobilsport datenaufzeichnung motorsport datenrecording fahreranalyse fahrzeuganalyse messtechnik
- Produktsicherheit
- Diplom.de
