Mikrofuidische Hydraulikkomponenten Was Mikrofluidik mit Rennsport zu tun hat

Moderne Autos enthalten immer mehr Funktionen, die von hydraulischen Komponenten gesteuert werden. Besonders intensiv ist der Einsatz im Rennsport. Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH bedient dieses anspruchsvolle Testfeld. Geschäftsführer Jürgen Prochno erklärt, wieso.

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LEE Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH

Herr Prochno, welche Rolle spielt der Motorsport für Lee?

Der Rennsport, insbesondere die Formel 1, zeichnet sich durch einen extremen technologischen Wettbewerb aus. Jedes Team versucht, durch ständige Weiterentwicklung den eigenen Vorsprung zu halten oder seinen Rückstand zu verringern. Daneben werden zu jeder neuen Saison zahlreiche Regel­änderungen durch das „World Motor Sport Council“ des Sportverbandes FIA beschlossen. Wir sind ein innovationsgetriebenes Unternehmen, das vor 70 Jahren als Hersteller von Hydraulikkomponenten für die Luft- und Raumfahrt begann und mittlerweile zahlreiche weitere Märkte mit Lösungen bedient, die höchste Ansprüche an Leistung und Funktionssicherheit erfüllen. Deshalb ist der Rennsport für uns ein ideales Testfeld.

Und in welchen Rennsportserien ist Ihre Firma mit Hydraulikkomponenten derzeit engagiert?

Wir sind aktiver Entwicklungspartner insbesondere in der Formel 1, aber auch in der Formula Student. Rennfahrzeuge verfügen über sehr ausgeklügelte Technologien wie verstellbare Heck- oder Frontflügel, die aufgrund der extremen Geschwindigkeiten innerhalb kürzester Zeit auf Steuerbefehle reagieren müssen. Von besonderer Bedeutung war hier die sogenannte DRS-(Drag Reduction System)-Technologie für den Heckflügel der Formel-1-Boliden. DRS ist die Bezeichnung für einen Kniff, bei dem der Fahrer auf geraden Strecken die Neigung des Heckflügels verstellt, um den Luftwiderstand zu verringern und so das Beschleunigungsvermögen des Fahrzeugs für ein Überholmanöver zu erhöhen. Dieser Kniff wurde allerdings in den Sechziger­jahren aus Sicherheitsgründen verboten, weil der abgesenkte Heckflügel den Abtrieb des Fahrzeugs verringert. Das wirkt sich in Kurven nachteilig auf die Bodenhaftung aus und kann zum Ausritt führen, falls der Fahrer beim Überholmanöver den Überblick verliert und versäumt, den Heckflügel rechtzeitig wieder anzuheben.

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Und dieser Kniff wurde inzwischen wieder erlaubt?

Nun, seit den Sechzigerjahren hat es in den Bereichen Sensorik, Elektronik und fahrzeuginterner Datenverarbeitung erhebliche Fortschritte gegeben. Diese ermöglichen es heute, die Randbedingungen für ein DRS-Manöver so exakt einzugrenzen, dass die Risiken besser beherrschbar werden. Jedenfalls hat die FIA 2011 eine der drastischsten Regeländerungen der vergangenen Jahrzehnte beschlossen, als sie die Vorschriften sowohl bezüglich der bisher erlaubten Verstellung der Frontflügel als auch mit Blick auf den Heckflügel über den Haufen warf. Während die Heckflügel-Verstellung wieder erlaubt wurde, kamen aktiv verstellbare Frontflügel in Acht und Bann. Diese Umkehrung der bisherigen Regelungen hatte zum Ziel, mehr Überholvorgänge zu ermöglichen und die Rennserie dadurch attraktiver zu machen.

Wie genau funktioniert das DRS-System?

DRS-Manöver sind nicht auf dem gesamten Kurs erlaubt, sondern nur in den sogenannten DRS-Zonen bestimmter gerader Streckenabschnitte und auch nur dann, wenn der Fahrer sich für eine bestimmte Mindestzeitdauer hinter einem Vordermann befindet. Das wird von Sensoren überwacht. Entscheidend für die Durchführung eines DRS-Manövers ist dann eine sehr schnelle und zudem nur kurzfristige Absenkung des Heckflügels. Denn dieser muss spätestens dann wieder oben sein, wenn die nächste Kurve kommt.

Und was konnte Lee zur DRS-Technik beitragen?

Wir haben hierfür spezielle Steuerelemente entwickelt. Die Bewegung des Flügels erfolgt durch einen hydraulischen Stell­antrieb mit großem Durchmesser, der sehr schnell reagieren muss. Für die Ansteuerung entwickelte Lee eine spezielle 12-Volt-Gleichstrom-Version eines 3-Wege-Hochdruck-Magnetventils, das serienmäßig in Flugzeugen zum Einsatz kommt. Diese sogenannten 250er-Ventile kombinieren eine hohe Dichtigkeit mit enormer Zuverlässigkeit und setzen neue Standards bei der Reduzierung des Platzbedarfs, des Gewichts und des Energieverbrauchs.

Die Firma Lee engagiert sich zudem in der Formula Student. Was ist dort der spezielle Reiz?

Die Formula Student ist ein besonderes Umfeld, weil es hier aufgrund des weniger strengen Reglements mehr Platz für Experimente und Freiraum für neue Konzepte gibt. Die jungen Teilnehmer sorgen mit ihren Ideen und Initiativen für willkommenen frischen Wind. Mit der Entwicklung der Industrie in Richtung autonomes Fahren entstand beispielsweise vor drei Jahren die Idee eines Formula-Student-Driverless-Wettbewerbs.

Wer ist in der Formula Student Ihr Partner?

In diesem Bereich unterstützen wir das Team der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW), das 2018 erstmals an einem solchen Wettbewerb teilnahm. Das bisherige Verbrennerkonzept wurde beibehalten und um ein autonomes System mit erweiterter Elektronik und Sensorik als adaptive Lösung ergänzt. Ziel war ein Rennwagen, der sowohl mit Fahrer an den normalen Wettbewerben als auch ohne Fahrer an dem neuen Driverless-Wettbewerb teilnehmen konnte. Dabei sollten nur die wichtigsten Komponenten ausgetauscht werden.

Und wie sah der Beitrag der Firma Lee zu diesem Projekt aus?

Neben Sensorik und Algorithmen mussten auch Lösungen zur Betätigung des Kupplungs-, Brems- und Lenksystems her, die strenge Anforderungen bezüglich Gewicht, Bauraum und Funktionalität sowohl mit als auch ohne Fahrer erfüllen mussten. Die Lösung war ein Hydrauliksystem, das für die Betätigung dieser drei Baugruppen beim Einsatz in einem Rennwagen optimiert wurde. Dieses System ist wie folgt aufgebaut: An der Kupplung sind ein Druckminderer, ein Proportionalventil sowie ein Drei-Wege-Magnetventil von Lee zum Aufbauen und Regeln des Kupplungsdrucks verbaut. Ein Wechselventil, auch Shuttle Valve genannt, ermöglicht darüber hinaus das manuelle Betätigen der Kupplung bei eingebautem Hydrauliksystem.

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Gab es noch weitere Optimierungen an dem Formula E-Fahrzeug?

Um den hohen Anforderungen gerecht zu werden, wurden besonders kleine Miniatur-Hydraulikkomponenten von Lee eingesetzt. In Kombination mit einem 3-D-Druckverfahren für die Herstellung des Hydraulikblocks konnte dabei das Gewicht des Hydrauliksystems um 10 kg bzw. 50 Prozent des ursprünglichen Werts reduziert werden. Kürzere Leitungswege und die Integration einiger zusätzlicher Ventile ermöglichten zudem einen Performancegewinn im Ansprechverhalten.

Wie aufwendig war die Produktion der Bauteile?

Der Bremsventilblock wurde innerhalb von nur einem Tag aus AlSi10Mg auf einer Laserschmelzanlage vom Typ M2 Cusing mit dem Powder-Bed Fusion-Verfahren, kurz PBF, hergestellt. Die gesamte Druckzeit betrug etwa einen Tag. Im Anschluss wurden die hochpräzisen Passungen für die Ventile, die in der additiven Fertigung noch nicht hergestellt werden können, mittels einer CNC-Maschine in der Nachbearbeitung gefräst und gebohrt. Nach dem Einsetzen der Rückschläge, dem Verschließen der Bohrungen mit Hilfe von Lee Plugs und dem Einsetzen der Ventile war der Ventilblock bereits voll funktionsfähig. Die wenigen verbliebenen Anschlüsse erhöhen dabei die Wartungsfreundlichkeit und minimieren damit die Wartungszeiten des Systems.

Hat das System ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal?

Dank der kompakten Bauform findet die Baugruppe im vorderen Bereich zwischen der Pedalerie und dem Frontend des Chassis Platz. Damit bestanden die HTW-Entwickler als weltweit erstes Formula-Student-Verbrennerteam alle technischen Abnahmeprüfungen und konnte in den verschiedenen Disziplinen der Formula Student Driverless 2018 starten.

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Gibt es von Ihnen auch Produkte für normale Straßenfahrzeuge?

Selbstverständlich. So zum Beispiel ein sehr anspruchsvolles Bremssteuerungssystem der Firma Airback, das 2015 entwickelt wurde. Bei Bremsen gibt es zwei gegensätzliche Anforderungen, die den Abstand zwischen Bremsbelägen und der Bremsscheibe betreffen. Ist der Abstand zu groß, so setzt die Bremswirkung im Notfall erst mit Verzögerung ein, was die Unfallgefahr erhöht. Wird der Abstand dagegen zu eng gewählt, so schleift die Bremse selbst im voll geöffneten Zustand ein wenig, was den Kraftstoffverbrauch ebenso wie den Verschleiß erhöht. Das von Airback entwickelte Bremssystem kann beide Fälle abdecken.

Und welches Bauteil kommt hierbei aus ihrem Haus?

Es ist als Zusatzsystem zur bestehenden Bremsanlage konzipiert, wobei ein Dreiwege-HDI-Magnetventil von Lee zum Einsatz kommt. Das System nutzt dabei Über- und Unterdruck sowie Vakuum. Wenn das Fahrzeug beschleunigt, erzeugt Airback einen Unterdruck im hydraulischen System, der den Bremsbelag von der Bremsscheibe quasi wegzieht und so die Reibung an den Bremsscheiben weitestgehend eliminiert. Beim Betätigen der Bremse wird dagegen blitzschnell wieder ein definierter Überdruck erzeugt, damit die Bremsbeläge bereits an die Scheibe angelegt sind, bevor der eigentliche Bremsimpuls aus der Bremsanlage kommt. Dies hat laut Airback nicht nur eine schneller einsetzende Bremswirkung zur Folge, sondern auch einen kürzeren Pedalweg des Bremspedals.

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