Fahrdynamik ganzheitlich messen

Wie synchronisierte optisch-inertiale Messtechnik die Lücke zwischen Prüfstandsdaten und realem Fahrverhalten schließt. 

Die Fahrdynamikentwicklung steht vor einem grundlegenden Messproblem: Prüfstände wie Achskinematikprüfstände, Dämpferprüfstände, Reifenprüfstände und Hydropulsprüfstände liefern hochpräzise Daten für einzelne Komponenten – doch das reale Fahrverhalten entsteht aus dem Zusammenspiel von Reifen, Fahrwerk, Aerodynamik und Regelsystemen unter transienten, nichtlinearen Bedingungen. Was auf dem Prüfstand validiert wurde, verhält sich auf der Straße meist anders. Die Folge: aufwändige Iterationsschleifen zwischen Fahrzeugtest und Nachkalibrierung. 

Ganzheitliche Messtechnik unter Realbedingungen 

Was bisher fehlte, war eine praxistaugliche Möglichkeit, alle relevanten fahrdynamischen Größen gleichzeitig, direkt und unter realen Fahrbedingungen zu erfassen: die wahre Fahrzeugbewegung unabhängig vom Reifenschlupf, das tatsächliche Kinematikverhalten des Fahrwerks unter Last, die Fahrzeuglage relativ zur Fahrbahn und die Kräfte im Reifenaufstandsfläche. Sensoric Solutions aus Wetzlar hat genau dafür eine modulare Messplattform entwickelt. 

Der OMS (Optical Motion Sensor) bildet die Basis der Plattform. Basierend auf dem Ortsfilterverfahren (Spatial Filtering) erfasst der Sensor die Mikrotextur der Fahrbahnoberfläche optisch und bestimmt daraus die Geschwindigkeit – ohne GPS, ohne Schlupf, ohne Bodenkontakt. Der zweiachsige OMS 7 misst Längs- und Quergeschwindigkeit simultan mit 1 kHz Abtastrate und liefert über eine integrierte IMU zusätzlich Beschleunigung, Gierrate sowie Nick- und Wankwinkel. Der Schwimmwinkel wird direkt aus den gemessenen Geschwindigkeitskomponenten abgeleitet – mit einer Auflösung besser als 0,1° – und ist damit eine direkt gemessene physikalische Größe, kein modellbasierter Schätzwert. Je nach Montageposition am Chassis oder am Rad lassen sich Fahrzeugbewegung oder lokale Reifenschlupfwinkel erfassen. Der OMS Race, bewährt in Formel 1, NASCAR, IndyCar und Formel E, erweitert diese Fähigkeiten für extreme Umgebungen. 

Das HMS (Height Measurement System) ergänzt die Plattform um eine direkte Bodenreferenz. Jeder HMS-1-Lasersensor misst per Triangulation den Abstand zur Fahrbahn mit 1 000 Hz und einer Wiederholgenauigkeit besser als 0,1 mm und unabhängig von Straßenneigung und Querneigung. Modular konfigurierbar erfasst das System je nach Sensoranzahl Fahrzeughöhe, dynamischen Sturz, Nick- und Wankwinkel und Karosserietorsion. In Kombination mit den OMS-Geschwindigkeitsdaten lassen sich reale Nick- und Wankgradienten des Fahrzeugs unter dynamischer Last direkt ermitteln. 

Das WVS (Wheel Vector System) macht die reale Fahrwerkskinematik unter Last sichtbar. Fünf optische Encoder in einem Parallelogramm-Mechanismus messen die Radposition relativ zur Karosserie in drei Raumrichtungen sowie Sturz- und Lenkwinkel. Ein sechster Encoder erfasst die Raddrehposition für Schlupfberechnung und Störkompensation. Ingenieure können so die tatsächlichen Lenk- und Sturzverläufe unter realer Belastung mit dem Auslegungsmodell vergleichen und Compliance-Effekte quantifizieren, die auf dem K&C-Prüfstand nicht sichtbar werden. 

Ein Messrad (WFT) vervollständigt das System. Es misst alle Kräfte und Momente am instrumentierten Rad simultan. Kombiniert mit der lokalen Geschwindigkeitsmessung eines radmontierten OMS ergibt sich eine direkt gemessene Schlupf-Kraft-Beziehung unter realen Bedingungen – einschließlich der Einflüsse von Fahrbahnoberfläche, Temperaturentwicklung und kombinierter Belastung, die Laborprüfstände nicht abbilden können. Für die Reifenmodellentwicklung bedeutet das: Validierung und Verfeinerung von Modellen wie MF-Tyre oder FTire gegen real gemessene Daten statt gegen Laborextrapolationen. 

Integration und Datenverarbeitung 

Alle Sensoren der Plattform kommunizieren über eine gemeinsame Zeitbasis mittels PTP (Precision Time Protocol) mit Sub-Mikrosekunden-Genauigkeit. Die gesamte Signalverarbeitung findet direkt in den Sensoren statt. Die Daten stehen sofort als physikalische Messgrößen zur Verfügung, ohne aufwändige Nachbearbeitung. Eine einheitliche browserbasierte Software konfiguriert alle Sensoren ohne Installation, standardisierte DBC-Dateien vereinfachen die Integration in bestehende Messdatenerfassungssysteme. 

Mehrwert in der Praxis und Anwendung 

In der Praxis zeigt sich der Mehrwert besonders bei der Ursachenanalyse komplexer Fahrverhaltensprobleme. Beispiel: Unerwartetes Untersteuern bei schneller Kurveneinfahrt. Klassisch würde man Lenkwinkel, Querbeschleunigung und Gierrate vergleichen, doch diese Signale allein trennen nicht klar zwischen Reifeneffekten und kinematischen Ursachen. Mit der integrierten Messtechnik wird das Bild transparent: Der OMS zeigt den tatsächlichen Schwimmwinkelverlauf beim Einlenken. Das WVS macht sichtbar, ob sich die Vorderradspur unter kombinierten Brems- und Querkräften lastabhängig verändert und damit den effektiven Schräglaufwinkel am Reifen reduziert. Das HMS erfasst die dynamische Nick-Wank-Kopplung und deren Einfluss auf die Lastverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse. Und der Radkraftsensor bestätigt, ob die Vorderreifen tatsächlich an ihrer Kraftschlussgrenze arbeiten oder ob das Lateralkraftdefizit eine kinematische Ursache hat. In einer einzigen Testsession lassen sich so die konkurrierenden Hypothesen gleichzeitig prüfen, statt sie über mehrere Testtage sequenziell abzuarbeiten. 

Auch in der Entwicklung autonomer Fahrzeuge hat sich der OMS als leistungsfähige Alternative zu aufwändigen GNSS-basierten Geschwindigkeitsmesssystemen erwiesen. Rodrigo Senofieni, Engineering Leader bei Aidoptation, der den Sensor am autonomen Maserati GranTurismo Folgore des Unternehmens getestet hat, beschreibt die Schwimmwinkelmessung im Vergleich zu GNSS-Verfahren als „a real game changer in terms of accuracy“ und den Sensor als „indispensable for edge case manoeuvres with high lateral forces.“ 

Die Sensoren von Sensoric Solutions sind derzeit in der Formel 1, NASCAR, WEC, IndyCar, Formel E, GT3 und zahlreichen Formula-Student-Teams im Einsatz. OEMs wie Mercedes-Benz, Hyundai, Ford, Toyota und Honda nutzen die Sensorik für die Fahrdynamikabstimmung in der Serienentwicklung. 

Bilder: Sensoric Solutions