Ein Drehmomentsensor für das sparsamste Wasserstoffauto

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Für die Entwicklung des kraftstoffeffizientesten Wasserstoffautos der Welt hat das niederländische Studenten-Team „Green Team Twente“ einen Test mit einem speziellen Drehmomentsensor durchgeführt. Untersucht wurde hierbei die Effizienz des Antriebsstrangs.

Green Team Twente ist ein niederländisches Studententeam, das sich auf die Herstellung des effizientesten Wasserstoffautos der Welt konzentriert. Das fachübergreifende Team besteht aus Studenten der Saxion Hogeschool und der Universität Twente. Jedes Jahr wird ein neues Team gebildet und ein neues Auto entwickelt.

Dabei baut jedes neue Team auf dem Entwurf des Vorjahres auf und versucht, diesen zu verbessern. Im September 2019 mussten die Mechaniker des Teams eine wichtige Entscheidung treffen: Kann die Effizienz erhöht werden, indem der aktuelle Antriebsstrang des Autos weiter optimiert wird oder ist hierfür der Einsatz einer anderen Technik notwendig?

Der Antriebsstrang besteht aus 4 DC-Motoren (Gleichstrommotoren), die eine Kardanwelle mit einer gewissen Verzögerung antreiben. Mit der Kardanwelle wird das linke Hinterrad angetrieben, das das Auto vorwärtsbewegt. Die entsprechende Verzögerung wird mit einem speziell angefertigten Getriebe erreicht. Das Team entschied sich zunächst für einen Test des Antriebsstrangs.

Die Auswahl des richtigen Drehmomentsensors

Gemeinsam mit den Ingenieuren von Althen suchten die Studenten nach dem am besten geeigneten Sensor und entschieden sich für einen rotierenden Drehmomentsensor unseres Partners ST Sensor Technology. “Der große Vorteil des RWT 410-420 Drehmomentsensors ist, dass er eine sehr unkomplizierte Schnittstelle hat, mit der wir die Daten einfach und präzise digital auslesen können. Außerdem ermöglichte er die gleichzeitige Messung von Drehzahl und Drehmoment. Wir brauchten ihn, um den genauen Wirkungsgrad zu berechnen. Ein paar Prozent machen im Rennen schon einen wesentlichen Unterschied aus. Zudem war die Zusammenarbeit mit Althen sehr angenehm, es gab immer jemanden, der bereit war, uns zu helfen”.

Ein Testaufbau mit rotierendem Drehmomentsensor

Um eine fundierte Entscheidung treffen zu können, wurde zunächst die Effizienz des aktuellen Antriebsstrangs bestimmt. Die Studenten erstellten einen Testaufbau mit einem integrierten Drehmomentsensor RWT410-420. Mit diesem Sensor wurden die Winkelgeschwindigkeit der PTO-Welle (Zapfwelle) sowie das entstehende Drehmoment ermittelt. Durch Messung von Eingangsstrom und Eingangsspannung der Motorregler wurde der kombinierte mechanische und elektrische Wirkungsgrad des Antriebsstrangs bestimmt. Das Variieren der Belastung des Motors mit einer Wirbelstrom-Bremse simulierte die Bedingungen während des Rennens.

Die Spannungsversorgung der Motorregler und des Drehmomentsensors wurde mit der mitgelieferten LabVIEW-Software ausgelesen. Die Ein- und Ausgangsleistung mit dem zugehörigen Leistungsgrad kann mit dieser Software einfach digital verarbeitet und gespeichert werden. Mit dem Testaufbau haben die Studenten die Leistung des Antriebsstrangs zunächst an möglichst vielen Punkten gemessen. Aus diesen Messpunkten wurde im Anschluss eine dreidimensionale Leistungskurve erstellt. Die Bedingungen, unter denen die Tests durchgeführt wurden, basierten auf Daten aus früheren Autorennen, wie z.B. dem Shell Eco-Marathon 2019 und der Drivers World Championship 2019. Im Anschluss konnten die Studenten das ideale theoretische Modell mit ihren Versuchsdaten vergleichen.

Die Testergebnisse des Drehmomentsensors

Der Test zeigte, dass der Antriebsstrang in der Theorie um ein Vielfaches besser funktionierte als in der Praxis – er hätte also noch leistungsfähiger sein können. Allerdings stieß das Team hier an die mechanischen Grenzen des Motors, der im Rahmen des aktuellen Systems nicht neu konstruiert werden konnte. Auf Grundlage der Testergebnisse suchten die Studenten nach Alternativen und führte diverse Simulationen durch. Letztlich entschied man sich für die Entwicklung eines neuen Radnaben-Motors.

Sobald der Motor entwickelt und die Motorsteuerung auf den Motor abgestimmt ist, wird er in der Praxis getestet. Anschließend kann das Studententeam die Testergebnisse mit dem alten Antriebsstrang vergleichen, um zu sehen, wie stark sich die Effizienz erhöht hat – ein weiterer Schritt zur Entwicklung des kraftstoffeffizientesten Autos der Welt.