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Bürstenlose AC-Servomotoren machen Formel-1-Simulator ordentlich Dampf

08.01.2009
Bei einem professionellen Formel-1-Rennsimulator kommen bürstenlose AC-Servomotoren zum Einsatz, die in Verbindung mit Kugelgewindespindeln genügend hohe Beschleunigungswerte ermöglichen, um eine realistische Simulation des Renngeschehens sicherzustellen.

Im Formel-1-Geschäft müssen alle verwendeten Komponenten höchste Ansprüche an Qualität und Leistungsfähigkeit erfüllen. Das britische Unternehmen Ball Racing Developments Ltd. (BRD) setzt deshalb bei seinen Formel-1-Rennsimulatoren auf Kollmorgen- und Thomson-Lösungen von Danaher Motion. Gepaart mit dem technischen Know-how von BRD leisten die Produkte des Motion-Control-Spezialisten einen wichtigen Beitrag bei der realistischen Simulation von Rennsituationen und damit bei der Ausbildung von Formel-1-Fahrern.

Am Anfang des Rennsimulator-Projekts stand bei Ball Racing Developments die Erkenntnis, dass der Markt nichts bot, um den Antrieb eines Rennwagens präzise zu simulieren. Nach vielen Jahren der Entwicklung und der Arbeit mit einer Vielzahl von Antriebssystemen für verschiedene Kunden begann das Unternehmen deshalb mit der Entwicklung eines Systems, das auf die Bewegungen in einem Rennwagen abzielt. Besonderes Augenmerk galt den hohen Kräften, die bei den Geschwindigkeiten eines Formel-1-Rennwagens auftreten.

Bürstenlose Servomotoren erfüllten Vorgaben

Das erste Exemplar der neuen Generation spezieller Bewegungsantriebssysteme wurde im November 2007 produziert und an einen Vergnügungspark in Macau geliefert, der seinen Gästen hochrealistische Motorsportsimulatoren bieten wollte. BRD war jedoch mit der Einhaltung von Zeitplänen und der Ausrüstungsleistung seines damaligen Zulieferers von Antriebskomponenten nicht zufrieden. Die Fachfirma für Simulationstechnik wollte vor allem eine kompaktere und leistungsfähigere Motorlösung. Auf der Suche nach einer Alternative entschied man sich für die bürstenlosen AC-Servomotoren AKM-7 und AKM-6 von Danaher Motion, die diese Vorgaben erfüllen konnten.

Kollmorgen-AKM-Motoren haben ein Drehmoment von 0,16 bis 53 Nm und eine Drehzahl bis 8000 min–1 in einem kompakten Gehäuse, in dem der Anwender die größtmögliche Leistung auf kleinstem Raum erhält. Dieser Punkt war für BRD sehr wichtig, weil jede Gewichtseinsparung Vorteile für Leistung und Ansprechzeiten bedeuten kann. Die AKM-Motoren waren nur etwa halb so groß wie die bisherigen Produkte.

Jede Bewegungsrichtung/-achse für die neue V1-500-Bewegungsplattform erforderte einen eigenen Antrieb. Deshalb sollte ein AKM-7-Motor für die Vertikalbewegungen sorgen (Vorwärts- und Rückwärtsbeschleunigung), während die Horizontalbewegungen (seitliche Verschiebung) sowie die Gierneigung (Drehen um die Hochachse) von verschiedenen AKM-6-Motoren erledigt wurden. Die Gierneigung ist eine integrale und einzigartige Funktion des Systems von BRD, die das seitliche Wegrutschen des Rennwagens simuliert. Sie wird durch eine Verschiebung des Rotationszentrums zwischen den vorderen und hinteren Rollenpositionen erreicht.

Bisher wurde jeder Motor von einem AC-Servoantrieb S600 der Marke Kollmorgen angetrieben. Dabei handelt es sich um einen digitalen Servoverstärker, der sich für komplexe Antriebsaufgaben eignet. Angesichts der Tatsache, dass eine steigende Zahl von Ingenieuren zu ethernetbasierten Kommunikationsformen wie Ethercat und Synqnet wechselt, wird die nächste Generation von Bewegungsplattformen allerdings den neuen S700-AC-Servoantrieb verwenden. Mit der Integration von ethernetbasierter Buskommunikation in den neuen Antrieb hat Danaher Motion den S700 zukunftssicher gemacht. Dank der integrierten Schnittstelle des S700 müssen Kunden wie BRD nicht auf zusätzliche Erweiterungskarten zurückgreifen, um diese Kompatibilität zu erreichen.

Formel-1-Bolide sitzt auf Bewegungsplattform

Die nächsten zwei Bewegungsplattformen gingen nach Singapur. Dort sollten sie im September bei der Werbung für den ersten Formel-1-Grand-Prix im Land zum Einsatz kommen (gleichzeitig das erste Nachtrennen in der Formel 1). Der Zeitfaktor war entscheidend. Deshalb erschien es in diesem Zusammenhang sinnvoll, den Auftrag auf Kugelgewinde und lineare Führungssysteme auszuweiten. Die Lieferzeiten konnten so minimiert und der Aufbauvorgang vereinfacht werden.

Nach Aussage von BRD gibt es am Markt eine „verwirrende Anzahl“ von Produkten zur Bewegungssteuerung. Die Produktfamilie von Danaher Motion trug jedoch zu einer Entwirrung bei. Dies sollte sich als wesentlich für das Projekt erweisen, bei dem die Fertigstellung zweier V1-500-Bewegungsplattformen von BRD in nur zehn Wochen nach Vertragsabschluss vom Entwurf bis zur Aufstellung bewältigt wurde.

Auf die Bewegungsplattformen wurde ein Formel-1-Bolide montiert, dessen eigentliche Bewegungen über drei Thomson-Gewindespindeln von Danaher Motion angetrieben werden. Aus Kompatibilitätsgründen besitzen die Gewindespulen eine einheitliche Länge mit einem Fahrweg von 1,2 m.

Kugelspindelbaugruppen ohne Spiel und Reibung sorgen für vollen Vortrieb

Die Thomson-Kugelspindelbaugruppen bestehen aus einer gerollten Gewindespindel und einer Nut (Außenrille) mit einer Innenrille und einem Ring aus Präzisionsstahlkugeln, die in den Rillen zwischen Spindel und Nut umlaufen. Durch die effiziente Ausführung ohne Spiel und Reibung wird das Drehmoment in Vorschubkraft umgesetzt, während sich die Spindel dreht und sich die andere Komponente in linearer Richtung bewegt. Wichtiges Merkmal aller an BRD gelieferten Thomson-Gewindespindeln war eine hohe Steigung. Sie ist wichtig, um die erforderliche Erdbeschleunigung, die etwa 10 m/s2 beträgt, zu erreichen.

Längs der Gewindespindel verläuft ein lineares Führungssystem aus einem Paar Thomson-Profilschienen der Serie 500. Sie entsprechen der DIN 645-1 und bieten eine hohe Steifigkeit und Belastbarkeit, um den Beschleunigungskräften, die bei dieser realistischen Formel-1-Simulation entstehen, widerstehen zu können. Um der außergewöhnlich hohen Luftfeuchtigkeit in Singapur zu trotzen, wurden die linearen Führungslagersysteme mit einer Chromversiegelung beschichtet.

Nach der mechanischen Fertigstellung wurden die beiden Bewegungssteuerungsplattformen mit der von BRD entwickelten audiovisuellen Technik verbunden. Dazu wurde der Straßenkurs von Singapur vermessen und als Modell geschaffen. Die Software Netkarpro von BRD kann als kostenlose Version der Rennstrecke von Singapur von der Website www.singtelrace.com heruntergeladen werden. So kann jeder Formel-1-Fan die schwierige Strecke üben, die sich um die bekannten Sehenswürdigkeiten Singapurs schlängelt. Er kann sogar seine Rundenzeiten in der Online-Rangliste veröffentlichen, um zu sehen, wie er sich im Vergleich mit anderen geschlagen hat.

Bewegungen sind so realitätsnahe wie möglich

Die beiden Rennsimulatoren von BRD wurden im April 2008 an Singapore Telecommunications (SingTel), einen Sponsor des dortigen Grand Prix, ausgeliefert. Mit ihrem naturgetreuen Maßstab und den realitätsgetreuen Bewegungen bieten sie eine Rennerfahrung, die einer Fahrt in einem echten Boliden so nah wie möglich kommt.

Die harten Stöße, die beim echten Aufprallen auf die Barrieren entstehen, hat BRD jedoch im Interesse der Gesundheit und Sicherheit abgemildert. Die Plattform kann auf jeder Achse G-Kräfte von 1,0 bis 1,5 erzeugen. Zur Sicherheit müssen alle Fahrer einen 4-Punkt-Sicherheitsgurt tragen.

Auch die Rennställe zeigen Interesse: Ein führender Formel-1-Fahrer hat den V1-500 getestet und seine Rundenzeit bei aktiviertem Bewegungssystem um 0,7 s verbessert. Das System gibt Rennprofis ein besseres Gefühl für die Effekte, die während eines echten Rennens auftreten, zum Beispiel bei einem Unter- und Übersteuern, beim Bremsen oder beim Durchdrehen von Rädern.

Reinhold Schäfer | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/konstruktion/antriebsundsteuerungstechnik/articles/166019/

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