Scuderia AlphaTauri entwirft ein leistungsstarkes Formel-1-Auto

Der Aufstieg der Scuderia AlphaTauri

Am 23. Februar 2022 bekam die Welt einen Vorgeschmack auf die neuen Formel-1-Autos (F1), als sie ihre Testtage vor der Saison in Barcelona absolvierten. Anfang März 2022 folgten Testtage in Bahrain, an denen sich die Fahrer vor Beginn der Rennsaison am 21. März 2022 darauf fokussierten, sich mit den neuen Autos vertraut zu machen.

Während der Testtage und der ersten Rennen arbeiteten zwei junge Scuderia AlphaTauri-Fahrer, Pierre Gasly und Yuki Tsunoda, mit den Ingenieuren der Scuderia AlphaTauri zusammen, um sich von der Leistung des neuen Autos zu überzeugen und die Fehler zu beheben, die bei der neuen Konstruktion aufgetreten waren.

"Jedes Mal, wenn wir auf die Rennstrecke gehen, gibt es bei diesem Wagen neue Dinge zu entdecken, also müssen wir jede Session optimal nutzen und so viel wie möglich lernen, bevor das erste Rennen ansteht", sagt Pierre Gasly, der während der Testtage in Bahrain im März 2022 an der Rennstrecke war. "Das Gefühl war einzigartig. Ich war gespannt auf diese neuen Autos und darauf, wie sie sich auf der Strecke verhalten würden."

Das Gefühl auf der Rennstrecke als Leistungssteigerer

Im Formel-1-Rennsport werden Fahrer und Auto eins. Dieses Gefühl auf der Rennstrecke geht von dem Teil des Autos aus, der normalerweise nicht im Rampenlicht steht: dem Fahrersitz.

"Das Chassis ist aus Sicherheits- und Leistungsgründen eines der anspruchsvollsten Teile des Autos. Man muss möglichst früh mit der Arbeit am Chassis beginnen, auch wenn man noch nicht alle Informationen hat", erklärt Raffaele Boschetti, Leiter der Informationstechnologie (IT) und Innovation bei der Scuderia AlphaTauri. "Bevor wir eine Partnerschaft mit Siemens eingingen, brauchten wir drei Monate, um ein gutes Chassis zu entwickeln. Mit der Software von Siemens haben wir das in einem Monat geschafft. Das hat uns viel Zeit gespart und viele Vorteile eingebracht."

Neben dem Chassis ist der Sitz entscheidend für die Sicherheit des Fahrers und seine Gesamtleistung. Die Konstruktion des Sitzes ist durch die Sicherheits- und Crashtestregeln in der Formel 1 streng geregelt. Wenn etwas schief geht, muss der Fahrer in der Lage sein, das Auto schnell und sicher zu verlassen. Der Sicherheitsposten und die medizinischen Teams müssen verletzte Fahrer erfolgreich aus einem Unfall bergen können. Boschetti weist schnell darauf hin, dass die Bedeutung des Fahrersitzes in einem F1-Auto aber über die Sicherheit hinausgeht.

"Der Sitz ist ein Teil des Autos, der Leistung bietet. Der Fahrer spürt über den Sitz alle Vibrationen, Beschleunigungen und das Verhalten des Autos. Auf der Rennstrecke können wir die Fahrzeugeinstellungen ändern, um das Auto entsprechend den Anforderungen des Fahrers zu verbessern", sagt Boschetti. "In der Formel Eins finden im Februar oder März ein paar Tests statt. In dieser Situation waren die Software und Plattformen, die Siemens uns zur Verfügung stellte, für den Bau des Sitzes entscheidend."

Es gibt keine Universallösung.

F1-Sitz ist nicht gleich F1-Sitz. Die Konstrukteure für Verbundwerkstoffe werden Ihnen sagen, dass die Herausforderung zur Hälfte nicht der Sitz an sich ist, sondern die Frage, wie der Fahrer in das Auto passt.

„Er ist wie ein Maßanzug. Man muss die Position des Helms und des Rückens berücksichtigen und der Fahrer sollte so tief wie möglich sitzen", so Francesco Dario Picierro, leitender Konstrukteur für Verbundwerkstoffe bei der Scuderia AlphaTauri.

Um die Richtigkeit dieser kritischen Leistungsaspekte sicherzustellen, entwickelten Picierro und seine Kollegen ein einzigartiges Verfahren zur Entwicklung von Sitzen. Zunächst entwarfen sie einen etwas größeren Sitz als nötig und erhitzten dann eine Portion Spezialharz und modellierten die Körperform des Fahrers in der idealen Postion. Aus der Harzform erstellten sie mit der Software NX™ einen vollständigen Scan für die Sitzgestaltung. NX, das Fibersim™-Portfolio und Simcenter™ sind Teil der Siemens Xcelerator Business Platform für Software, Hardware und Services.

"Der Prozess mag einfach erscheinen, aber dank der Produkte von Siemens wird er intelligenter", fügt Picierro hinzu.

Mit Digitalisierung zum Formel-1-Erfolg

Da die Konstruktion und das Chassis für das Modell 2022 komplett neu entworfen werden mussten, simulierte das Team jedes Detail in CAD (computergestützte Konstruktion) – von der allgemeinen Übersicht bis hin zur Integration des Fahrers in die Chassis-Konstruktion.

Den Fahrer dazu zu bringen, sich hineinzuquetschen, die Pedale zu erreichen und vor allem sehen zu können – unter Berücksichtigung des Helms, der Sicherheitsvorschriften und der neuen Fahrwerks- und Fahrzeugkonstruktion – ist eine technische Meisterleistung für sich. Das Team weiß, dass die Digitalisierung heutzutage der einzige Weg ist, um in der Formel 1 erfolgreich zu sein. Durch den Einsatz der Digitalisierungswerkzeuge von Siemens wurde der größte Teil der Routinearbeit aus den Entwicklungs-, Konstruktions- und Produktionszyklen entfernt.

"NX unterstützt uns bei unseren Digitalisierungsbestrebungen. So können wir beispielsweise die Handarbeit am Lenkrad oder die Sicht mithilfe der Fahrerkamera nachbilden. Zudem können wir das digitale Modell auch entsprechend der Größe des Fahrers skalieren", sagt Picierro.

Ein Wettlauf gegen die Zeit

Während die Konstrukteure für Verbundwerkstoffe für eine individuelle Anpassung zwischen Sitz und Fahrer sorgen (ein Prozess, der sich je nach den Anforderungen der einzelnen Fahrer mehrmals pro Saison wiederholen kann), optimieren andere Mitglieder des Scuderia AlphaTauri-Ingenieurteams die neue Fahrzeugkonstruktion rechtzeitig vor dem Renntag im Hinblick auf die Fahrerleistung.

Neben dem engen zeitlichen Rahmen stellt das Gewicht eine weitere Herausforderung für jeden Formel-1-Ingenieur dar. Die F1-Ingenieurteams hatten Mühe, das Mindestgewicht von Fahrer plus Auto von 795 Kilogramm (kg) zu erreichen, insbesondere angesichts der neuen Sicherheitsvorschriften und des Ground Effects. In letzter Minute einigten sich die Teams auf einen Kompromiss, um das Gewicht auf 798 kg zu erhöhen.

"Natürlich ist es immer schwierig. Es gelten völlig neue Regeln. Diese Autos sind kompliziert und es ist schwierig, alles so zu konstruieren, dass die Anforderungen an die Gewichtsgrenze erfüllt werden. Wie wir sehen können, liegen fast alle Teams über dem Mindestgewicht. Wir müssen auch die Kosten berücksichtigen. Gewicht zu reduzieren ist teuer. In Anbetracht des Kostendeckels waren unsere Teams in der Lage, einen Kompromiss zu finden", sagt Franz Tost, Teamleiter der Scuderia AlphaTauri.

Bei einer Geschwindigkeit von über 300 km/h während eines normalen Formel-1-Rennens erleben die Fahrer routinemäßig bis zu vier oder fünf seitliche g-Kräfte beim Bremsen und Kurvenfahren sowie beim Beschleunigen auf den langen Strecken.

Eine Plattform und ein Erfolgsgeheimnis

Franz Tost zufolge stellt das Ausbalancieren von Konstruktionsparametern immer eine Herausforderung für Ingenieurteams dar. Die Nutzung ein und derselben digitalen Plattform und Software-Suite für die Untersuchung des realen Fahrverhaltens des Autos hilft dem Team, die richtigen Entscheidungen für die Rennen zu treffen.

"Unsere Aufgabe ist es, die Festigkeit und Steifigkeit des Teils zu bewerten. Der Fahrersitz muss fest genug sein, um den Beschleunigungslasten standzuhalten, und steif genug, um eine gute Interaktion zwischen dem Fahrer, dem Chassis und dem Rest des Fahrzeugs zu gewährleisten", so Giuseppe Stiscia, Leiter der Chassis-Gruppe und Strukturingenieur der Scuderia AlphaTauri. "Wir nutzen Simcenter von Siemens, um das Finite-Elemente-Modell und die Bedingungen des Lastmodells zu generieren.“ Simcenter zeigt die Standardwerte für die Struktursteifigkeit übersichtlich über einen Farbstreifen an. Jede Farbe stellt einen Spannungszustand oder die Verschiebung des Teils dar.

„Die Strukturingenieure nutzen diese Informationen, um das tatsächliche Verhalten der Struktur zu verstehen. Unser Ziel ist es, den Sitz so fest und steif wie möglich zu machen, aber wir müssen zuerst das Gewicht optimieren. Er fügt hinzu: "Simcenter hilft uns, das Teil schneller zu berechnen und stellt eine Plattform für alle am Projekt Beteiligten bereit.“

Entwicklungszeit ist Gold wert

Andrea Rizzo, Ingenieur in der Gruppe Forschung und Entwicklung für digitales Layup, nutzt dieselbe Plattform mit seinen Kollegen. Sie nutzen Fibersim-Tools, um das eigentliche Teil fertigzustellen.

"Wir nutzen Fibersim, um eine perfekte Verbindung zwischen den FEA-Ergebnissen und der realen Laminierung herzustellen", sagt Rizzo. "Bei diesem Material muss man die zu laminierenden Gewebelagen für die Form passend zuschneiden. Jedes zusätzliche oder unnötige Material, das in die Form eingelegt wird, verursacht zusätzliche Kosten. Wir versuchen, mit so wenig Material wie möglich zu laminieren, um Zeit und Geld zu sparen."

Das Ingenieurteam der Scuderia AlphaTauri verwendet Fibersim auch, um die Einheitlichkeit der maßgefertigten Teile zu gewährleisten. Im Gegensatz zu Nutzfahrzeugen enthalten Formel-1-Autos viele handgefertigte Kohlefaserteile, die durch Schichten von Verbundstofflagen im Laminat entstehen. Jedes Teil besitzt einzigartige strukturelle Eigenschaften. Obwohl das Team dies aus Wettbewerbsgründen nicht sagen würde, kann man vermuten, dass Ersatzteile nach Bedarf hergestellt werden.

Daten sind entscheidend: Jede Information, die das Team analysieren kann, hilft ihnen, das Leistungsverhalten des neuen Autos zu verstehen.

"Jedes Kohlefaserteil ist ein Laminat, sodass wir sicherstellen müssen, dass das erste Teil mit dem letzten identisch ist. Aus diesem Grund verwenden wir Fibersim. Mit dieser umfassenden Simulation sparen wir Zeit im Produktionsprozess. Wir können die Lagen so vorbereiten, dass sie für alle Laminate gleich sind.

"Mit Fibersim wissen wir, was im Bauteil vor sich geht. Wir kennen den Qualitätsstandard der Lagen. Wir verfolgen jede einzelne Lage während des Prozesses. Wir können Probleme verhindern, bevor sie auftreten, da wir uns von NX über Simcenter bis hin zu Fibersim auf derselben Plattform befinden. Und was noch wichtiger ist: Wir sparen Zeit", sagt Rizzo.

"Das Problem vor allem in der Formel 1 – aber auch bei Standardfahrzeugen – ist, dass man das gleiche Teil mit der gleichen Qualität zur gleichen Zeit herstellen muss. Wenn Sie dieselbe Produktsuite verwenden, die vom CAD-Teil bis zur Produktionslinie alles für Sie berechnet, erhalten Sie am Ende ein hochwertiges Teil, das auf der Rennstrecke Leistung erbringt. Das ist das Ziel", sagt Boschetti.

Dank der Siemens Xcelerator-Tools wie NX, Simcenter und Fibersim kann das Team jeden Sitz mithilfe von Schichten aus Verbundstofflagen an den Fahrer anpassen, um ein sehr leichtgewichtiges Laminat zu schaffen, das eine gute Leistung erbringt, um die Sicherheits- und Konstruktionsspezifikationen für die neuen Scuderia AlphaTauri-Fahrzeuge zu erfüllen. Dies bietet den Fahrern Gasly und Tsunoda die ideale Verbindung zum Auto, die sie für eine gute Leistung benötigen. Dank der hervorragenden Technik des Teams in Faenza, Italien, und der Unterstützung durch das Siemens Xcelerator-Portfolio ist das Scuderia AlphaTauri-Team mehr als bereit für die nächste F1-Saison.