Die Formel 1 als Königin der Automobilsportrennen fasziniert viele von uns. An das Material, den Fahrer, das Team und die Technik werden die höchsten Ansprüche gestellt. Vor jedem Rennen werden die Fahrzeuge komplett gewartet und materialerneuert. Als Unikat starten die Rennwagen mit zirka 10.000 Einzelteilen in das nächste Rennen. Etwa 5 bis 10 Prozent der Teile werden aus den Vorgängermodellen verwendet.
Obwohl der Fahrer, der in den Schikanen bis zur fünffachen Erdbeschleunigung verkraften muss, als aktiver Part im Fahrzeug eine wichtige Rolle spielt, werden viele Messwerte während des Rennens vom Fahrzeug an den Empfänger in der Teambox übermittelt und dort verarbeitet – wir sprechen hier von Telemetrie.
Treibstoffverbrauch, Temperaturen, Drehzahlen sind nur einige wenige Kenndaten für die Telemetrie. So spielen Wettereinflüsse und Luftfeuchtigkeit eine große Rolle. Auch aus diesen Gründen finden vor der Saison viele Testfahrten statt; sie dienen der Datengewinnung zur Motor- und Fahrwerksabstimmung auf die Strecke und klimatischen Gegebenheiten. Nicht zuletzt aus reiner Menschlichkeit werden für den Schutz der Fahrer viele Testreihen durchgeführt. Strapaziös ist auch die durchschnittliche Cockpittemperatur von 50 °C.
In diesem Artikel erläutern wir den Aufwand, den die F1-Teams mit der Computer-Simulation und der Datenauswertung der Telemetrie betreiben.
Datentransfer in die Heimat via Satellit
Die Messwerte der Telemetrie werden vorwiegend während der Testläufe gewonnen, an einen zentralen Server in der Teambox übermittelt, und von dort in die Zentrale der Rennteams in die Heimatstadt transferiert. Letzteres geschieht über die am Veranstaltungsort angemieteten Datenleitungen (Analog, ISDN, oder xDSL) oder luxuriös über einen eigenen Übertragungswagen über Satellit, wie ihn das BMW-Sauber-Team schon länger nutzt.
Immer wenn ein Fahrzeug auf der Strecke ist, können die Techniker in der Box in Echtzeit das Motormanagement und sonstige Chassisdaten an den Monitoren überwachen.
Die Telematik – Integration aus Telekommunikation und Informatik – ist heute ein wichtiger Faktor, der das Rennen entscheidend beeinflusst. Sekundenbruchteile entscheiden heute über Sieg oder Niederlage, daher setzen die Rennteams auf modernste Technik.
Datenlogger
Neben den Telemetriedaten vom Fahrzeug in die Box werden von der FIA definierte Messwerte auch im Datenlogger, der jederzeit ohne großen Aufwand zugänglich sein muss, mitprotokolliert.
Gemessen und übertragen werden bei den Teams beispielsweise:
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dynamische Motorwerte (Temperatur, Drehzahl, Klopfen, Drücke, Drosselstellung)
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Pedalstellungen, Lenkung, Bremskraft, Gang
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Geschwindigkeit
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Kraftstoffverbrauch
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Beschleunigungen (G-Kräfte)
Elektronisch ausgewertet kann die Ölqualität bis heute noch nicht, daher wird dem Öl eine Probe entnommen und diese im Spektrometer auch nach Metallabrieb untersucht.
Über die Kodierung, Frequenzen und Datenmengen der von den einzelnen Teams benutzten Telemetrie ist nur wenig öffentlich zugänglich und auch die einzelnen Teams geben sich mit diesen Daten - aus nachvollziehbaren Gründen – meist bedeckt. Zum Einsatz kommt mutmaßlich ein Verfahren mit Spektrum Coding, das heißt Signalspreizung über ein breites Frequenzband. Die eingesetzten Protokolle sind eine Kombination aus Standard-Fehlerkorrektur und Verschlüsselung, geeignet für die drahtlosen Übertragungen beim Rennen und speziell für dieses Kommunikationsszenario optimiert.
FIA reglementiert die Telemetrie
Die Telemetriesysteme arbeiten im von der FIA genehmigten Frequenzbereich (Abs. 8.5.1) bei zirka 1500 MHz. Einige Teams stellen auch eigene Antennen um die Rennstrecke auf. Ein zweistufiges System sorgt für einen hohen Datendurchsatz vor der Box und einen geringeren auf der restlichen Strecke. Oder das System sendet ausschließlich in der unmittelbaren Umgebung der Box und speichert die Daten sonst zwischen. In Hockenheim ist beispielsweise viel Wald, was die Datenübertragung beeinflusst. Während die Wagen die Box mit einer Geschwindigkeit von 270 km/h passieren, werden die 4 MByte großen Telemetriedaten in zwei Sekunden erfasst. Mit dem Laptop werden am Ende des Rennens nochmals zirka 40MByte an Daten vom Motormanagement ausgelesen.
Das Reglement der Formel 1 der FIA (Technisches Regulatorium 2009 Abs 8.5.2) erlaubt Telemetrie nur vom Fahrzeug zur Box und nicht in der anderen Richtung. Sehr wohl kann der Fahrer aber diverse Fahrwerks- und Motoreinstellungen individuell auswählen. In der Formel 3 ist dagegen jeglicher Datenfunk verboten. Telemetrie zum Fahrzeug erfolgt aber dennoch seitens der FIA, und zwar in Form von Aktivierung von Signalanzeigen. Das Reglement 2008 schreibt neu drei mindestens 5 mm große LEDs in den Farben rot, blau und gelb in Sicht des Fahrers als "Track Signal Information" vor. Jeder Rennwagen wird ebenfalls mit einer Signalisierung für medizinische Notfälle ausgerüstet und mit dem Datenlogger der FIA verbunden, um den Rettungsteams ihre Arbeit zu erleichtern ("Medical Warning System", Abs 8.5).
Eine elektromagnetische Abstrahlung im Bereich 2,0 bis 2,7 GHz ist laut der allgemeinen Fahrzeug Anforderungen im Reglement 2008 (Abs. 79) verboten.
Sprechfunk ist bidirektional vom Fahrer zur Box erlaubt und seit 1998 liegen diese Frequenzen bei zirka 167 und 470 MHz. Das Reglement 2009 Abs 8.7 Tech. Regulatorium schreibt vor, dass das Funkgerät ein eigenständiges (mobiles) Gerät sein muss und nur den Sprechfunk übertragen darf. Die Kommunikation muss offen (ohne Verschleierung/Verschlüsselung) erfolgen – für die FIA und andere Gruppen. Aktuell dagegen wird die Übertragung von und zur Box verschlüsselt durchgeführt.
Für die hochgenaue Zeitmessung müssen alle Fahrzeuge mit Zeitsendern (Time Transponder) an genau definierten Stellen ausgestattet sein. Die Position von Videokameras ist ebenfalls genau definiert (Abs 20.4). Die Spannungsversorgung der Motorelektrik und -elektronik ist auf maximal 17 Volt festgelegt worden.
Unterschiede im Detail
Einerseits schreibt das FIA Reglement einen Grossteil der Spezifikationen vor, zum anderen unterscheiden sich die Systeme in den Rennwagen im Detail von Team zu Team. Der Aufwand pro Fahrzeug ist enorm:
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100 bis 200 Sensoren pro Fahrzeug (im und am Motor und am Chassis)
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11.000 bis 12.000 Fahrzeugkomponenten
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4600 Zeichnungen für die Komponenten
Auf den folgenden Seiten beschreiben wir exemplarisch einige Details zu den Unterschieden bei den F1-Teams Renault, McLaren Mercedes und BMW Sauber.
Renault F1: Unix-Workstations und Windows-PCs
Beim Renault Team befinden sich im Rennwagen bis zu einhundert Datensensoren zur Messung der Leistung von 12.000 Fahrzeugkomponenten und zur Aufzeichnung von Daten wie Motortemperatur, Pedalstellung und der Belastung durch Beschleunigung (G-Kräfte).
Während der acht Monate langen Rennsaison sind an der IT-Infrastruktur zirka 800 Mitarbeiter an 150 Unix-Workstations und ungefähr 500 Microsoft-Windows-Desktops und -Laptops beteiligt. Eine Ruhezeit außerhalb der Rennsaison gibt es aber nicht, denn dann wird mit voller Kraft an der Entwicklung des nächsten Autos gearbeitet.
Aus den 100 verschiedenen Messwerten lassen sich rund 1200 Informationskanäle zusammenstellen, die vom Team ständig überwacht werden und die bei Abweichungen auf ein bestehendes oder sich annäherndes Problem schließen lassen. So kann man einen Ausfall zum Teil vermeiden, wenn man dem Piloten zum Beispiel mitteilt, vom Vordermann Abstand zu halten, wenn Motor- oder Öltemperatur in kritische Bereiche ansteigen, damit genügend Luft in die Kühler strömt.
Nach jedem Renntag werden die gesammelten Daten an die Teamzentrale übermittelt und auf einem originalgetreuen Simulator mit Wagen und Dummy getestet. Dort geben die Ingenieure neue Parameter ein, zum Beispiel für Aufhängung, Reifendruck und Schwerkraft, um zu testen, wie sich die Rennleistung des Wagens dadurch verändert. Über Nacht werden vollständige Analysen durchgeführt, die dem Fahrer Lösungsmöglichkeiten zur Verfügung stellen, die dann am nächsten Morgen ausprobiert werden können. Dies erklärt, warum die Testzeiten manchmal von einem Tag zum anderen deutlich voneinander abweichen können.
Vodafone McLaren: Software in C und Assembler
Ein 2006er Rennwagen von McLaren (MP4-22 seit März 2006) mit dem V10-Motor FO 110R bringt zirka 920PS auf die Straße, hat ungefähr 200 Sensoren, deren Daten vom zentralen Rechner im Fahrzeug gesammelt und per Telemetrie mit etwa 4 Mbit/s an die Box übermittelt werden.
Die Fahrwerksabstimmung hängt nicht nur von der Strecke, sondern auch vom Fahrer ab. Ein Fahrer übersteuert sein Fahrzeug kontrolliert und der andere fährt wieder im untersteuerten Bereich. Dementsprechend sind Federn und Bremsen einzustellen.
Die Control-Software für das Auto wird bei McLaren in der Programmiersprache C und in Assembler geschrieben. Analyse- und Simulationssoftware hauptsächlich mit Matlab. Andere Projekte sind in objektorientierten Sprachen geschrieben (C++, Delphi und Visual Basic, abhängig von den jeweiligen Vorlieben).
Pro Rennen fallen ungefähr ein Gigabyte während eines durchschnittlichen, 90 Minuten dauernden Rennens an Messdaten an, bei den Testläufen noch mehr. Teilweise sind diese Daten redundant – online übermittelt und im internen Speicher abgelegt – um sicherzugehen, dass keine Daten verloren gehen. Hochverfügbarkeit und Redundanz sind auch im Rennsport aktuelle Themen. Alle Abläufe sind sehr stark organisiert und strukturiert und so kommen auch USB-Sticks als Alternativdatenspeicher im Team zum Einsatz, sollte einmal der Laptop ausfallen.
Da die Software den gesamten Rennwagen steuert und überwacht, wird diesem Faktor besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Die Software wird unter Laborbedingungen und vor dem Rennen ausgiebig getestet. Dennoch kann es einmal dazu kommen, dass Fehler im Programm auftauchen. Wie bei Embedded Software üblich, sind Überwachungsfunktionen implementiert, die das System nach kurzer Inaktivität neu starten.
Wo es die Regeln zulassen, werden Systemkontrollen in die SW-Steuerung implementiert, da ein Grossteil der Fahreraktivitäten durch X-by-Wire implementiert ist:
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Schaltung, Kupplung (Shift-by-Wire)
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Gaspedal (Drive-by-Wire)
Nachfolgende Technologien sind noch nicht implementiert:
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Bremsen (Brake-by-Wire)
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Lenken (Steer-by-Wire)
Wichtige Teile wie Motor, Chassis und Elektronik sind hochgradig entwickelt und ausgetestet. Auch ein so „banales Bauteil“ wie eine Kupplung ist in der Formel 1 in keiner Weise mit einem herkömmlichen Produkt zu vergleichen. Sie ist dreißig Mal leichter und vierzig Mal leistungsfähiger als die Kupplung eines Mittelklassewagens. Es sind diese Superlative, die den Reiz der Formel 1 ausmachen.
BMW Sauber: Datenübertragung via Satellit
Die von den Sensoren im Rennwagen und an den Rechner in der Box übermittelten Daten vom Fahrzeug und der Strecke werden beim BMW-Sauber Team direkt in die Zentral nach Hinwil/Schweiz über eine Satellitenstrecke gesendet. Dort simulieren Experten die Rennstrecke und optimieren die Einstellungen für den Rennwagen.
"Heute bist du ein gläserner Pilot, die Jungs merken sogar, wenn du im Auto einmal pupsen musst", spaßt der ehemalige Formel-1-Fahrer Gerhard Berger. Nicht immer erhält der Fahrer Einblicke in die Telemetriedaten seines Teamkollegen, denn dort kann man genau sehen, wann ein Fahrer bremst oder Gas gibt.
Ein LKW ausgestattet mit Satellitenschüssel, die auf Knopfdruck aus dem Inneren auf das Dach fährt und sich selbständig auf den Satelliten ausrichtet, ist dabei das Kernstück, so dass man von den meist schlechten Datenleitungen am Veranstaltungsort unabhängig ist.
Zum Saisonstart 2006 arbeiteten in Hinwil und in München jeweils rund 300 Beschäftigte für das BMW Sauber F1 Team. Die Luftfracht für einen Grand-Prix beträgt über 30 Tonnen. Dazu gehören mindestens vier Chassis, sechs Motoren, Räder, Ersatzteile, Werkzeug, über 50 Rechner, 100 Funkgeräte samt Kopfhörer sowie die Boxenausstattung.
Abstecher: Technische Details eines F1-Fahrzeugs
Ein Formel 1 Rennwagen bremst von 300 auf 0 km/h in 4,2 Sekunden beziehungsweise steht nach 170 m. Von 200 auf 0 km/h sind es 3,7 Sekunden sowie 100 m. Der extrem hohe Abrieb der Reifen erhöht die Reifenhaftung und geht natürlich zu Lasten der Laufleistung. Dafür dürfen die Reifen bis zu 130 °C heiß werden, darüber steigt das Risiko der Blasenbildung stark an.
Der BMW P86 Motor besteht aus 1105 verschiedenen Einzelteilen. Insgesamt sind es rund 5000 Teile und damit nur zirka 200 Bauteile weniger als der zehnzylindrige P84/5 hatte.
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Quelle: BMW Presse-Information vom 16.01.2007. |
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Bauart: |
8-Zylinder-V-Saugmotor | |
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Bankwinkel: |
90 Grad | |
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Hubraum: |
2.400 ccm | |
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Ventile: |
vier pro Zylinder | |
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Ventiltrieb: |
pneumatisch | |
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Motorblock: |
Aluminium | |
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Zylinderkopf: |
Aluminium | |
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Kurbelwelle: |
Stahl | |
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Ölsystem: |
Trockensumpfschmierung | |
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Motorsteuerung: |
BMW | |
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Zündkerzen: |
NGK | |
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Kolben: |
Aluminium | |
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Pleuelstangen: |
Titan | |
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Länge: |
518 mm | |
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Breite: |
555 mm | |
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Höhe: |
595 mm (insgesamt) | |
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Gewicht: |
95 kg |
Karbon-Bremsscheiben und -Beläge benötigen eine Betriebstemperatur von mindestens 550 bis 650 °C. Sie erhitzen sich beim Bremsen auf über 1000 °C. Mindestens acht Arbeitsstunden benötigt das Team nach einem Rennen zum Zerlegen eines Fahrzeugs, für die Überprüfung beziehungsweise den Austausch einzelner Komponenten und den erneuten Zusammenbau. Der BMW-Motor erfordert rund 120 Arbeitsstunden für den Zusammenbau.
Über 200 Exemplare des BMW P86 Motors werden für Prüfstandsversuche, Test- und Renneinsätze gebaut. Für den BMW P86 V8-Motor wurden bis zum ersten Test am 28. November 2005 bereits 1329 CAD-Zeichnungen angefertigt.
Die maximale Kolbenbeschleunigung des BMW P86 beträgt 10.000 G. Die Kolbengeschwindigkeit liegt in der Spitze bei 40 Metern pro Sekunde – von null auf 100 km/h in 0,3 Tausendstelsekunden. Dabei wirkt eine Kraft von fast drei Tonnen auf das Pleuel. Die mittlere Kolbengeschwindigkeit beträgt zirka 26 Meter pro Sekunde.
Bis zu 950 °C Hitze werden am Auspuff erreicht, im Pneumatiksystem steigt die maximale Lufttemperatur auf 250 °C. Bei einer durchschnittlichen Renndistanz von 300 Kilometern erfährt der BMW V8-Motor pro Grand Prix rund acht Millionen Zündungen.
FIA 2008
Gemeinsames Regelement und doch divergierende Fahrzeugleistungen – um auch nicht so ganz finanzstarken Teams Gleichheit zu verschaffen, gibt es ab dem Jahr 2008 einige Neuerungen in der Formel 1.
Weiterhin "eingefrorene" Motorenentwicklung: Als Motoren für 2008 werden die Triebwerke eingesetzt, die am 1. Juni 2006 bei der FIA "hinterlegt" worden sind. Damit soll die teure Weiterentwicklung während der Saison unterbunden werden. Der akutelle BMW Motor heißt daher P86/7 und nicht P87.
Des Weiteren plant man die Einführung einer standardisierten Kontrolleinheit, ähnlich einer Blackbox für Motor und Getriebe, um Kosten zu sparen und es den Technikern der FIA zu erlauben, zurückgelegte Distanzen bei Tests überprüfen zu können.
Aus Sicherheitserwägungen darf auch während der Fahrt vom Cockpit der Reifendruck verändert werden, um insbesondere während Safety-Car-Phasen das Absinken des Reifendrucks zu kompensieren und somit potenzielle Unfälle aufgrund abgekühlter Reifen nach Möglichkeit zu vermeiden.
Aussicht
Bedienungsfehler der Formel1-Fahrer werden mit der Telematik offensichtlicher denn je. Und je größer die Rechenleistung ist, desto schneller können Auswertungen und Simulationen berechnet und der Rennwagen noch besser an die gegebenen Verhältnisse angepasst werden. Strategische Entscheidungen basieren immer mehr auf Simulationen und dank der IT wird auch dieser Sport trotz Regulierungen der FIA zunehmend zu einer Frage der technologischen Entwicklung werden.
Eine Kölner Firma für geographische Informationssysteme hat eine Telemetrielösung basierend auf GPRS (General Packet Radio Service) entwickelt, die Telemetriedaten in Echtzeit und während des gesamten Rennes aufzeichnen und überwachen kann. Je nach Netzabdeckung sind bis zu 1500 Messwerte pro Sekunde möglich und dank automatischer Verbindungsüberwachung und –Wiederherstellung sollen auch Funklöcher kein Problem darstellen.
Das Netzwerk aus Sensoren, Aktoren und Datenlogger beziehungsweise Telemetriesender benötigt Echtzeitfähigkeit und eine große Bandbreite. Als Bussystem ist daher FlexRay ideal geeignet.
Aus diesem interessanten Motorsport kann man nicht nur eines der grundlegenden Prinzipien der Formel 1 mitnehmen: „Machen Sie denselben Fehler nie zweimal, sondern reagieren Sie auf alle Fehler mit einer entsprechenden Lösung.“ (cvi)