Erstellung eines Schwingungsanalysesystems für den Rennmotor

Erstellung eines Schwingungsanalysesystems für den Rennmotor eines Aston Martin mit NI
LabVIEW und NI CompactRIO
"Das auf CompactRIO basierende Messsystem von
Aston Martin Racing ist nicht nur zuverlässig und
hochpräzise, sein Einsatz war auch erheblich
kostengünstiger als der anderer am Markt
verfügbarer Systeme mit festgelegter
Funktionalität."
- Paul Riley, Computer Controlled Solutions Ltd (
http://partners.ni.com/partner_locator/partner_details.aspx?id=86552&tab=overview)
Die Aufgabe:
Vollständige
Entwicklung und Verbesserung der mechanischen, elektronischen und Softwaresysteme eines Fahrzeugs durch Erfassen genauer Live-Messungen,
um einen überragenden Straßenmotor in einen in seiner Klasse führenden Rennmotor zu verwandeln und erfolgreich am weltweit anspruchsvollsten Kundenlösung
lesen
Sportwagenrennen teilzunehmen, dem 24-Stunden-Rennen von Le Mans
Die Lösung:
Einsatz der Systemdesignsoftware LabVIEW und der Hardware CompactRIO zur Erstellung des Mobile-Daquire-Geräts, welches eine Erfassung mit
einer Auflösung von 25 ns und Analysen der Resonanzen wichtiger Motor- und Antriebsstrangkomponenten ermöglicht, die zur präzisen
Untersuchung von Schwingungen über den gesamten Drehzahlbereich des Motors vollständig mit einer Vielzahl unterschiedlicher Messungen
synchronisiert werden können
Autor(en):
Paul Riley - Computer Controlled Solutions Ltd (http://partners.ni.com/partner_locator/partner_details.aspx?id=86552&tab=overview)
So wie der Adrenalinstoß eines Rennens auf den Strecken von Le Mans oder Sebring eine gemütliche Fahrt auf einer Landstraße bei weitem übertrifft, ist
dabei auch die erforderliche Leistung des Motors unvergleichbar. Die durchschnittlichen Drehzahlbereiche verdeutlichen den Unterschied hinsichtlich
Motorauslastung zwischen Rennstrecken und öffentlichen Straßen. Ein handelsüblicher Aston Martin in Luxusausführung läuft 90 Prozent der Zeit unter
3000 U/min, wenn das Gaspedal zu 20 Prozent betätigt wird. Sein für Rennen ausgelegtes Pendant hingegen läuft 90 Prozent der Zeit zwischen 5500 und
7500 U/min und 70 Prozent des Rennens mit Vollgas. Beim 24-Stunden-Rennen von Le Mans muss der Motor 5000 km dieser hohen Beanspruchung
standhalten.
Aston Martin Racing
Aston Martin Racing (AMR) nimmt seit 2005 am Rennen von Le Mans mit dem Rennwagen DBR9 mit V12-Motor teil, der die Rennen von 2007 und 2008
gewann. Auf den DBR9 folgten der R14 und der R16, jeweils mit V12-Motor, die sich in den Jahren 2009 und 2010 als die schnellsten Benziner in der
LMP1-Klasse von Le Mans erwiesen. AMR nimmt jetzt in der Klasse Grand Touring Endurance (GTE) mit dem Aston Martin V8 Vantage teil, der in der
Eröffnungsrunde der GTE World Endurance Championship 2013 in Silverstone den Preis nach Hause fuhr.
Abb. 1: Das Mobile-Daquire-System CCS basierend auf der Plattform NI CompactRIO
Warum ein spezielles Erfassungssystem?
Die Standardmotoren von Aston Martin für Straßenfahrzeuge liefern den Ausgangspunkt für die Rennmotoren von AMR. Sie erfordern allerdings
erhebliche Überarbeitungen, um sie hinsichtlich Leistung und Haltbarkeit in Rennmotoren von Weltklasse zu verwandeln. Diese Umwandlung übernimmt
das AMR-eigene Motorentwicklungsteam.
Zur Unterstützung dieser komplexen Arbeit benötigte die AMR-Motorgruppe ein Hochgeschwindigkeitssystem für das Datenloggen, das in der Lage ist,
das Torsionsverhalten der Systeme der Kurbel- und Nockenwelle zu analysieren, damit möglicherweise schädigende Resonanzen im Betriebsbereich des
Motors identifiziert werden können.
„Erhebliche Drehschwingungen eines beliebigen Systems des rotierenden Motors können rasch und schwerwiegend Schaden verursachen. Um
sicherzustellen, dass diese Schwingungen ausgeblendet werden können, muss das Motorverhalten unbedingt gemessen und nachvollzogen werden“, so
A. Shaw, AMR.
AMR bat Computer Controlled Solutions darum, ein Messgerät zu erstellen, mit dem diese Messungen durchgeführt werden können.
Computer Controlled Solutions
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www.ni.com
Computer Controlled Solutions
Computer Controlled Solutions (CCS (http://www.ccsln.com/)) ist ein National Instruments Silver Alliance Partner und wurde kürzlich dafür ausgezeichnet,
bereits seit 20 Jahren Dienstleistungen für NI bereitzustellen. Wir bieten Prüfstände und Datenerfassungssysteme vor allem für den Automobilsport- und
den Luft- und Raumfahrtsektor an. Unser Sitz ist in Warwickshire (Großbritannien), direkt im Zentrum dieser Industriezweige. Innerhalb der umfangreichen
Produktpalette von National Instruments haben wir uns auf die Plattform NI CompactRIO (http://www.ni.com/compactrio/d/) spezialisiert. So können wir
Echtzeitverarbeitungs- und anspruchsvolle FPGA-Lösungen für eine Vielzahl von Problemen bereitstellen.
Bei CCS blicken wir auf langjährige Erfahrung auf dem Gebiet NVH (Noise, Vibration and Harshness) zurück. Für ein vorhergehendes Projekt ersetzten
wir kostspielige, ältere Messgeräte, die für eine Schwingungsanalyse an Rotorblättern von Hubschraubern mit Geschwindigkeiten bis zu 60.000 U/min
eingesetzt wurden. Unsere kosteneffiziente Lösung, die auf NI-Produkten basierte, ließ sich besser erweitern und leichter warten als das ursprüngliche
System mit festgelegter Funktionalität. Die aus dem Rotorblattprojekt gewonnenen NVH-Methoden bildeten eine solide Grundlage für das AMR-Mess- und
-Analysesystem für Drehschwingungen.
Systemarchitektur
Hinter dem AMR-Messsystem steckt der echtzeitfähige Embedded-Controller CompactRIO (http://www.ni.com/compactrio/d/), der mit einer
FPGA-Backplane verbunden ist, die acht Steckplätze mit I/O-Modulen bietet, sodass für die Erfassung digitaler, analoger und CAN-Signale gesorgt ist.
Dies verbanden wir mit einem robusten Flightcase, das auch eine einfache Frontend-Anbindung erlaubt. Da der CompactRIO-Controller nur wenig Strom
benötigt, konnten wir das System und die dazugehörigen Peripheriegeräte mit einem 12-V-Netzteil bzw. der fahrzeugeigenen Batterie betreiben. Ein
entscheidender Punkt war, dass wir darüber hinaus eine temporäre Notstromversorgung mit Batterien einsetzten, um die Erfassung während des
Leistungsverlusts aufrechtzuerhalten, der bei Aktivieren der Zündung auftritt.
Nach dem Boot-Vorgang beginnt das CompactRIO-System mit der Datenerfassung, -analyse und -aufzeichnung im Headless-Betrieb. Wir integrierten
einen WLAN-Router in das Flightcase, damit ein Laptop sauber mit dem CompactRIO verbunden werden kann, sodass dezentrale Konfiguration und
Überwachung der Tests möglich sind. Dadurch konnte das gesamte System mit im Wagen montierten Messwandlern verbunden und von einem Laptop
im Beifahrersitz aus bedient werden. Das System ließ sich ebenso mit einem Dyno-Motor verbinden und dann mit einem Laptop im
Dynamotor-Beobachtungsraum konfigurieren, während Anpassungen in Echtzeit an der Motorsteuereinheit (ECU) vorgenommen wurden.
Wir beschleunigten die Entwicklung und die Tests des AMR-Systems mithilfe der 3D-Diagrammwerkzeuge in NI LabVIEW und dem NI Sound and
Vibration Toolkit (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/de/nid/209056), ein LabVIEW-Zusatzpaket, das eine vorgefertigte Bibliothek mit Funktionen
bereitstellt, um wichtige Messungen wie Swept-Sine-Analyse, Messungen des Frequenzgangs und Transientenanalysen durchzuführen.
Unsere Lösung ermöglicht auch die Stapelverarbeitung, mit der verarbeitete Daten von LabVIEW (http://www.ni.com/labview/d/) in Formate exportiert
werden, die direkt in die Datenanalysesoftware NI DIAdem (http://www.ni.com/diadem/whatis/d/) sowie in Software zur Schwingungsanalyse von
Drittanbietern importiert werden können. Die dauerhafte Datenspeicherung wird mittels Streaming an den Onboard-Speicher des CompactRIO-Controllers
oder an einen USB-Stick umgesetzt.
Abb. 2: Stapelverarbeitungssoftware bietet eine Schnellansicht der Ordnungsanalyse.
Die Leistung softwaredefinierter Messtechnik
Im Vergleich zu alternativen Ansätzen auf Basis anderer Programmiersprachen und Hardware ging die NI-Lösung eindeutig als Gewinner hervor. Das auf
CompactRIO basierende Messsystem von Aston Martin Racing ist nicht nur zuverlässig und hochpräzise, sein Einsatz war auch erheblich kostengünstiger
als der anderer am Markt verfügbarer Systeme mit festgelegter Funktionalität. Aufgrund der Merkmale von CompactRIO wie geringe Abmessungen,
robuste Bauweise und hochpräzise I/O eignete sich das Produkt ideal für die Montage im Rennwagen. Das spielte beim Korrelieren der Arbeiten an der
Dyno-Entwicklung mit In-Vehicle-Messungen auf der Teststrecke eine entscheidende Rolle.
Darüber hinaus erlaubte das NI-Konzept des Graphical System Design eine unkomplizierte und nahtlose Hardwareintegration, die dazu beitrug, dass die
Entwicklungszeit nicht mehr Monate, sondern nur noch Wochen betrug. Die so entstandene Lösung vereinfachte auch die Systemwartung, sodass wir
zukünftige Systeminstandhaltungen und -aktualisierungen unter Einsatz handelsüblicher Hardware für AMR zu einem attraktiven Preis abwickeln können.
Seit dem Einsatz des Systems konnte AMR feststellen, dass die Daten, die von der Rennstrecke und der Dynamometerplattform erhoben und analysiert
wurden, konsistent waren und zuverlässig die Resonanzfrequenzen kritischer Motorkomponenten wie der Kurbelwelle genau bestimmten. AMR nutzte
diese Informationen, um mechanische Anpassungen und ECU-Platzierung umzusetzen und so letztendlich die Langlebigkeit des Motors zu verbessern.
Die Zukunft unseres Systems auf der NI-Plattform
Aufgrund seiner Art bietet sich ein softwaredefiniertes Messgerät in Kombination mit modularer Hardware für endlose Erweiterungen an. Als AMR mit der
Aufgabe an uns herantrat, seine Hardware anzupassen, gab die Systemerweiterbarkeit eine klare Richtung im Hinblick auf die Umsetzung einer
synchronisierten Erfassung von bis zu 300 High-Speed-CAN-Kanälen vor.
Mit Blick auf die Zukunft hoffen wir, neue Technologien nutzen zu können. So können wir AMR beispielsweise aufgrund der Markteinführung der App Data
Dashboard for LabVIEW für Apple, Android und Windows 8 ein kostengünstiges Upgrade bereitstellen, das Status und Erfassungssteuerung auf einem
Tablet bereitstellt, welches sich neben dem Armaturenbrett des Fahrzeugs befindet. Über diese intuitive App kann AMR verschiedene Live-Streams von
Testdaten nach Bedarf anzeigen und die Benutzeroberfläche anpassen, sodass sich z. B. Logos neuer Sponsoren einbinden lassen.
Die zukünftigen Möglichkeiten für dieses System scheinen endlos. Wir freuen uns darauf, unsere Zusammenarbeit mit Aston Martin und National
Instruments auszuweiten sowie weiterhin ein Wegbereiter auf dem Gebiet NVH zu sein.
Autor:
Paul Riley
Computer Controlled Solutions Ltd (http://partners.ni.com/partner_locator/partner_details.aspx?id=86552&tab=overview)
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F12a Holly Farm Business Park
Kenilworth CV8 1NP
Vereinigtes Königreich
Tel: 01926 485532
[email protected] (mailto:[email protected])
Vorbereitungen von Aston Martin für das 2013 American Le Mans Race in Sebring
Stapelverarbeitungssoftware bietet eine Schnellansicht der Ordnungsanalyse.
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Endgültige Vorbereitungen von AMR für das 24-Stunden-Rennen von Le Mans (World Endurance Championship 2013)
Rechtliche Hinweise
Diese Kundenlösung („Kundenlösung“) wurde von einem Kunden von National Instruments („NI“) entwickelt. DIESE KUNDENLÖSUNG WIRD IM „IST-ZUSTAND“
ZUR VERFÜGUNG GESTELLT UND NI ÜBERNIMMT KEINERLEI GARANTIEN. AUSFÜHRLICHERE ERLÄUTERUNGEN ZU ANDEREN EINSCHRÄNKUNGEN
ENTNEHMEN SIE BITTE DEN NUTZUNGSBEDINGUNGEN FÜR NI.COM.
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