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Miniatur-Hydraulik hilft Rennboliden beim autonomen Fahren

| Redakteur: Bernhard Richter

Ein Berliner Hochschul-Team nahm 2018 erstmals an der neuen Formula Student Driverless teil. Dazu erweiterte es sein bestehendes Verbrennerkonzept um Komponenten für autonomes Fahren. Wichtiger Bestandteil davon ist ein Hydrauliksystem.

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Durch die kompakte Bauform konnte das System im vorderen Bereich des Chassis zwischen Pedalerie und dem Frontend des Chassis Platz finden.
Durch die kompakte Bauform konnte das System im vorderen Bereich des Chassis zwischen Pedalerie und dem Frontend des Chassis Platz finden.
(Bild: HTW Motorsport Berlin)

Mit der Zukunft zu gehen, heißt in der Formula Student, den Wettbewerb zu erweitern, das Reglement zu öffnen und Freiraum für neue Konzeptideen zu eröffnen. Mit der Entwicklung der Industrie in Richtung autonomes Fahren entstand vor drei Jahren die Idee eines Formula Student Driverless Wettbewerbs, der 2017 zum ersten Mal am Hockenheimring ausgetragen wurde.

Das 35-köpfige Team der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin war begeistert von dieser Idee und setze sich zum Ziel, 2018 erstmals an einem solchen Wettbewerb teilzunehmen. Dafür behielt das Team sein bisheriges Verbrennerkonzept bei – erweiterte jedoch die Elektronik und Sensorik und entwickelte das autonome System als adaptive Lösung. Oberstes Ziel war mit einem Rennwagen sowohl in den „normalen“ Wettbewerben mit Fahrern als auch dem neuen Driverless-Wettbewerb – ohne Fahrer – teilzunehmen und nur die wichtigsten Komponenten zu tauschen.

Für den Einsatz im Rennwagen optimiert

Neben Sensorik und Algorithmen, mussten damit auch Lösungen zur Aktuierung des Kupplungs-, Brems- und Lenksystems her, das Anforderungen bezüglich Gewicht, Template und Funktionalität mit und ohne Fahrer bestehen mussten. Die Lösung: Ein Hydrauliksystem, das zur Aktuierung dieser drei Baugruppen und dem Einsatz in einem Rennwagen optimiert wurde.

Um den hohen Anforderungen an einen autonomen Rennwagen gerecht zu werden, wurden die kompakten und leichten Hydraulikkomponenten von The Lee Company eingesetzt. Mit den Miniaturkomponenten des Unternehmens konnten Prototypenlösungen für die Rennwagen der HTW Berlin entwickelt, gefertigt und letztendlich auch im Rennbetrieb getestet werden.

Das Hydrauliksystem des Berlin Race Car 2018 (BRC18), welches im Rennbetrieb den Fahrer ersetzt, ist aufgebaut wie folgt: An der Kupplung ist ein Druckminderer verbaut, ein Proportionalventil sowie ein Drei-Wege-Magnetventil von The Lee Company zum Aufbauen und Regeln des Kupplungsdrucks. Ein Wechselventil (Shuttle Valve) ermöglicht darüber hinaus das manuelle Betätigen der Kupplung bei eingebautem Hydrauliksystem.

Vor allem aber fanden im vollredundanten Brems- und Notbremssystem die kleinen und schnellen Drei-Wege-Magnetventile einen Platz: Sie dienen jetzt als Herzstücke im ausfallsicheren Notbremshydraulikschaltkreis, um den BRC18 jederzeit sicher zum Stehen bringen zu können.

So entkoppeln Normally-Closed-Magnetventile den Notbremsdruckspeicher und das pumpenbetriebene Hydrauliksystem von Lenkung und Kupplung. Normally-Open-Magnetventile schalten diesen Membrandruckspeicher im Ernstfall auf eigenentwickelte Bremsdruckübersetzer zum hydraulischen Bremskreis frei, wodurch das Fahrzeug zum sicheren Stillstand kommt. Betrieben wird das System gemäß der allgemeinen Automotivbordnetzspannung mit 12 Volt und einem Hydraulikdruck zwischen 40 bar und 60 bar.

Durch die kompakte Bauform konnte das System im vorderen Bereich des Chassis zwischen Pedalerie und dem Frontend des Chassis Platz finden. Dank der Miniaturkomponenten von The Lee Company war es möglich als erstes Formula-Student-Verbrennerteam weltweit alle technischen Abnahmen zu bestehen und in den dynamischen Disziplinen der Formula Student Driverless 2018 zu starten.

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Breite Palette von Magnetventilen

Die miniaturisierten 3-Wege-Hochdruckventile sind eine Weiterentwicklung der Magnetventile für die Flugzeugindustrie, die neue Standards bei der Reduzierung des Platzbedarfs, des Gewichts und des Energieverbrauchs gesetzt haben. Die Ventilelemente kombinieren eine hohe Dichtigkeit mit enormer Zuverlässigkeit. Die Funktionen und Leistungsmerkmale umfassen u.a. zwei (Schalt-)Positionen, 3-Wege, einen Maximaldruck bis 8000 psi und einen Durchfluss bis 12 l/min bei 3000 psid (300 Lohms). Die Ventile besitzen eine Spule und ein integriertes Schutzsieb mit einer Lochgröße von 0,1016 mm. Der Stromverbrauch der Ventile beträgt 7,8 W bei 18- bis 32-V-Gleichstrom; sie können im Temperaturbereich von –54 °C bis 135 °C arbeiten.

Die miniaturisierten 3-Wege-Hochdruckventile sind eine Weiterentwicklung der Magnetventile für die Flugzeugindustrie, die neue Standards bei der Reduzierung des Platzbedarfs, des Gewichts und des Energieverbrauchs gesetzt haben.
Die miniaturisierten 3-Wege-Hochdruckventile sind eine Weiterentwicklung der Magnetventile für die Flugzeugindustrie, die neue Standards bei der Reduzierung des Platzbedarfs, des Gewichts und des Energieverbrauchs gesetzt haben.
(Bild: Lee)

Lee entwickelt nicht nur neue Produkte für den Motorsport. Für die Mikrofluidik wurde eine eigene Reihe von Miniatur-Magnetventilen und Folgekomponenten entwickelt, die ständig weiter ausgebaut wird: Beispielsweise ein Kontrollventil aus der HDI-Familie, das um ein 2/2-Wege-Magnetventil in N.C.-Plug-In-Ausführung erweitert wurde. Mit der geringen Leistungsaufnahme von nur 0,85 W gibt es diese neuen 2/2-Wege-HDI-Miniaturventile standardmäßig mit 12-VDC- oder 24-VDC-Spule. Für die elektrische Anbindung sind Pins im 2,5-mm-Raster für Standard-Mini-Stecker vorgesehen. Die Kombination von geringer Masse und robusten Werkstoffen gewährleistet eine Lebensdauer von bis zu 200 Millionen Zyklen. Das Magnetventil hilft bei der Optimierung des Einbauraums und eignet sich für die Einbindung in ambulante bzw. tragbare Geräte.

Ein weiteres Ventil ist ein 2/2-Wege-, mediengetrenntes N.C.-Membran -Magnetventil aus der Gruppe der Micro Inert Valves. Dies ist eine Weiterentwicklung der bekannten LFVA (Face Mount)-Baureihe. Es ist kleiner und mit 6 g leichter und bringt mehr Funktionen auf kleinem Raum unter. Außerdem besitzt es ein internes Volumen von nur 13 µl und hilft damit wertvolle Reagenzien zu sparen. Die 20 ms bei nur 0,9 W Reaktionszeit stellt eine weitere Verbesserung zur LFVA-Baureihe dar.

* Der Beitrag erschien zuerst auf unserem Schwester-Portal konstruktionspraxis.de

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