Datenaufzeichnung im Motorsport

Diplomarbeit von Michael Gröbel

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 selbst.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 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 aufgezeichnet 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 Rennbetrieb 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 hochfrequente Anregungen reagiert, ist dies mit dieser Abtastrate also nicht möglich, weil Daten fehlen. Soll hingegen der Einfluss des Aerodynamikpaketes auf die Fahrzeughöhe untersucht 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 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.

Kapitel 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 mittels 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 meisten Laptops keinen RS 232 Port besitzen. Eine weitere Alternative zu USB ist die Speicherung der Daten auf Compact Flash Karten. Der Speicherplatz auf dem System durch diese einfach erweiterbar und die Karte mit den Renndaten kann während eines Boxenstopps 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 tabellarischer 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 wichtigsten Diagramme ist die Geschwindigkeit aufgetragen über der Entfernung. In dieser Ansicht können verschiedene Runden schnell miteinander verglichen werden. Die Länge der Strecke ist bekannt und so können die einzelnen Runden schnell in der X Achse unterschieden werden. Auch wenn die meisten Programme bereits Streckenpläne und Rundenzeiten 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.

Kapitel 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.

Kapitel 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 unempfindlich 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 aerodynamischen 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 Fahrzeugboden 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 Wärmeleitblechen. 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.

Kapitel 2.3.2, Geschwindigkeitssensoren: In der Regel messen Geschwindigkeitssensoren Umdrehungen, wie Kurbelwellensensoren 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 Software kann nun einem Spannungswert eine Umdrehungszahl zugeordnet werden. Einer Radumdrehungszahl kann dann eine Geschwindigkeit zugeordnet werden.

Bei den aktuellen Fahrzeugen werden dazu meist die ABS Sensoren, die an allen 4 Rädern 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 Belastung 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.

Mit dem Pitotrohr wird die absolute Windgeschwindigkeit für das Fahrzeug gemessen. Die Messung wird durch den Wind der Umwelt beeinflusst. Jedoch ist die absolute Windgeschwindigkeit massgeblich wenn es um die Aerodynamik des Fahrzeuges geht. Die Einbauposition des Pitotrohres sollte im Windkanal ermittelt werden, um Störungen durch die Luftströmung auszuschließen.

Mit etwas weniger Aufwand und günstiger kann die absolute Geschwindigkeit des Fahrzeugs über das GPS Signal ausgewertet werden. Dazu wird im Fahrzeug eine GPS Antenne angebracht. Das GPS Modul ermittelt über die Zeit- und Ortskoordinaten der empfangenen 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 herkömmlichen Abtastraten beginnen bei 5Hz und enden bei ca. 25Hz für Präzisionsmessungen. Die Messdaten werden in der Regel mit den Messdaten der Beschleunigungssensoren kombiniert, was zu höherer Genauigkeit führt. Die GPS Geschwindigkeitsmessung funktioniert 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.