3.3 Antrieb

Drei-Renn-Motor, verbesserte Fahrbarkeit und das KERS.

Wer Aufbauarbeit leisten will, braucht erstmal eine solide Basis – und genau das ist der komplett in München entwickelte Antriebsstrang aus dem BMW V8-Grundmotor, dem Schnellschaltgetriebe, der Hydraulik und der Elektrik/Elektronik. Jede Komponente funktionierte in allen Grands Prix der Saison 2008 mit maximaler Zuverlässigkeit.

Der Motor durfte seit Ende 2006 reglementbedingt nur noch in der Peripherie weiter entwickelt werden. Für 2008 waren die Entwicklungsschwerpunkte in München die Einstellung auf die seither vorgeschriebene Einheitselektronik und die Erhöhung der Laufleistung des 2007 eingeführten Schnellschaltgetriebes auf vier Grand-Prix-Wochenenden.

Für das Getriebe stehen 2009 unverändert vier GP auf dem Programm. Der Motor indes muss seine Zuverlässigkeit nun an mindestens drei aufeinander folgenden Rennen anstatt bei zweien beweisen. Seine Laufleistung wurde verdoppelt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein bereits beschrittener Weg fortgesetzt. Markus Duesmann, unter dessen Leitung der Antriebsstrang entsteht, erklärt: „Die Zuverlässigkeit in der Saison 2008 resultierte aus einer verstärkten Konzentration auf die Bauteilqualität. Wir haben die Versuchsumfänge und die Lebensdauerziele kontinuierlich erhöht. Für 2009 war es unsere Aufgabe, die Erhöhung der Motorenlaufleistung um 100 Prozent abzusichern.“

Die BMW V8 P86/9-Motoren werden in München auf modernsten Prüfanlagen getestet. Um Rennreife zu erlangen, muss jede Spezifikation des Triebwerks einen Dauerlauf auf den dynamischen Prüfständen absolvieren. Hierbei wird ein synthetisches Streckenprofil verwendet, das die härtesteten Belastungsfälle der aktuellen Rennstrecken simuliert. Motoren, die für den Transport zum Austragungsort bestimmt sind, absolvieren auf den Prüfständen einen schonenderen Funktionscheck und anschließend noch eine Qualitätskontrolle inklusive Ölprobenuntersuchung auf etwaige Metallrückstände im Spektrometer.

Neben der Standfestigkeit lag bei der Entwicklung für 2009 ein großes Augenmerk auf der weiteren Optimierung der Fahrbarkeit. „Peaky“, nennen Rennfahrer einen Motor, dessen Kraftentfaltung mit der menschlichen Reaktionszeit auf dem Gaspedal nur schwer zu dosieren ist. Der Drehmomentverlauf ließ sich mit Maßnahmen im – teilweise nach wie vor freien – Motorumfeld verbessern. „Wir haben vor allem Modifikationen an der Abgasanlage vorgenommen“, so Duesmann, „um für 2009 einen gleichmäßigeren Drehmomentverlauf zu erreichen.“

KERS – der Energieerhaltungssatz der Formel 1.

Neuland betraten die Ingenieure mit der KERS-Entwicklung. KERS steht für Kinetic Energy Recovery System – ein System zur Rückgewinnung und Speicherung von kinetischer Energie, die beim Beschleunigen zusätzlich zur Leistung des V8-Motors zur Verfügung steht. Das Reglement lässt den Entwicklern kreativen Spielraum, vorgeschrieben sind lediglich einige Leistungsparameter. Der Energieerhaltungssatz der Formel 1 lautet: Im Laufe einer Rennrunde dürfen an der Antriebsachse während der Beschleunigungsvorgänge insgesamt 400 kJ Energie bei maximal 60kW mechanischer Leistung zugeführt werden. Der Energiespeicher darf ausschließlich während der Bremsphasen befüllt werden. Mögliche technische Lösungswege gibt das Regelwerk nicht vor.

Ab der Saison 2009 steht den Piloten der so genannte Boost-Button zur Verfügung. Wenn sie ihn betätigen, stehen für 6,5 Sekunden pro Runde 60 kW zusätzliche Leistung für Überholvorgänge zur Verfügung. Diesem Vorteil stehen allerdings die Nachteile gegenüber, die das System in Sachen Gewicht und Gewichtsverteilung mit sich bringt.

Das BMW Sauber F1 Team hat sich für eine elektrische Lösung entschieden. Die Motorabdeckung und die Seitenkästen des F1.09 sind so konstruiert, dass das Hybridsystem Platz findet. Es besteht aus einer Kombination aus Elektromotor und Generator, der entsprechenden Leistungselektronik und einem Energiespeichermodul.

Das Gesamtsystem wiegt rund 30 Kilogramm. „Damit liegt die Leistungsdichte der F1-KERS-Technologie deutlich über der von heute bereits in Serienfahrzeugen eingesetzten Technik“, sagt Mario Theissen. „Wir stehen an der Schwelle von einem konventionellen Paket aus Motor und einem unabhängigen Getriebe zu einem integrierten Antrieb. Mit der KERSEntwicklung wird die Formel 1 eine Pionierrolle für künftige Serientechnologien übernehmen. Innovative Konzepte, deren Lebensdauer und Ausfallsicherheit einem Serieneinsatz noch nicht genügen, erleben in der F1 ihre Feuertaufe und werden unter Hochdruck weiterentwickelt. Wir haben bei BMW das Formel-1-Projekt immer schon als Technologielabor für die Serie genutzt. Mit dem KERS-Projekt gewinnt dieser Ansatz eine völlig neue Dimension. Die Formel 1 wird sich neu positionieren. Das Image wird sich wandeln. In der öffentlichen Akzeptanz wird die Formel 1 deutlich gewinnen.“

Entwicklung unter Hochdruck.

Nachdem sich Mitte 2007 abzeichnete, dass das KERS Einzug in die Formel 1 halten könnte, musste innerhalb kürzester Zeit ein komplexes Hybridsystem entwickelt werden. Gemeinsam mit Ingenieuren der BMW Forschung und Technik GmbH recherchierten die Techniker des BMW Sauber F1 Teams, welches Hybrid-System überhaupt für die extremen Bedingungen in der Formel 1 in Frage käme. „Denkbar waren verschiedene Lösungen. Wir analysierten elektrische, mechanische, hydraulische oder gar pneumatische Systeme“, erklärt Duesmann: „Nach dieser mehrmonatigen Recherchephase stellte sich heraus, dass lediglich ein elektrisches System die geforderten Energieumsatzraten bei maximaler Sicherheit und vor allem bei möglichst geringem Gewicht liefern würde.“

Das Team entwickelte in den folgenden Monaten den Elektromotor, den elektrischen Energiespeicher und die KERS-Kontrolleinheit. Im März 2008 war es soweit: Der erste KERS-Prototyp wurde auf dem Prüfstand getestet. Duesmann: „Wir haben uns insbesondere mit dem Thema Sicherheit auseinandergesetzt. Wir haben verschiedene Einrichtungen geschaffen, um unter möglichst sicheren Bedingungen am Energiespeicher arbeiten zu können. Darüber hinaus haben wir einen Maßnahmen-Katalog entwickelt, um die Gefährdung der am Fahrzeug arbeitenden Personen auszuschließen. In Sicherheitsfragen tauschen wir uns intensiv mit den Kollegen der Serienentwicklung aus, schließlich spielen auch hier Hybridsysteme eine immer größere Rolle.“

Ein unerwarteter Zwischenfall.

Nach dem erfolgreichen Roll-out eines umgebauten BMW Sauber F1.07 mit dem KERS an Bord im Frühsommer 2008 wagte das BMW Sauber F1 Team am 22. Juli den nächsten Schritt: Christian Klien sollte das Auto bei einem offiziellen Test in Jerez fahren. Daraus wurde nur eine kurze Ausfahrt. Als das Auto nach einer Installationsrunde zur Box kam, fasste ein Mechaniker Lenkrad und Seitenkasten an und erhielt dabei einen starken Stromschlag. „Im ersten Moment konnten wir uns nicht erklären, was passiert sein könnte. Es war mysteriös. Obwohl keiner der mehr als tausend Sensoren am Fahrzeug Unregelmäßigkeiten anzeigte, brachen wir den Test natürlich aus Sicherheitsgründen ab“, sagt Duesmann. Der Mechaniker hatte zum Glück nur ein paar rote Flecken an der linken Hand sowie vom Sturz Hautabschürfungen am linken Arm davongetragen.

Um den Unfall in München nachvollziehen zu können, simulierte das Team die Bedingungen in Jerez und kam nach sechs Wochen und knapp 2.000 Arbeitsstunden zu einem Ergebnis: „Der Mechaniker hat beim Berühren des Seitenkastens und des Lenkrades einen Stromschlag erhalten, weil eine hochfrequente Wechselspannung zwischen diesen Berührpunkten bestand. Die Ursache lag im KERS-Steuergerät, in dem es sporadisch ein Übersprechen vom Hochvolt- in das 12-Volt-Netz gegeben hat. Über die Leitungen des 12-Volt-Netzes ist die Spannung zum Lenkrad und über das Karbon-Chassis zurück zum Steuergerät gelangt“, sagt Duesmann.

Die umfassende Analyse der Elektronik-Spezialisten hat neben den konkreten Maßnahmen auch weitere Empfehlungen ergeben, die für die Konzeption elektrischer KERS-Lösungen hilfreich und wertvoll sind. Zu den Maßnahmen gehören konstruktive Änderungen im Steuergerät zur Vermeidung von Übersprecheffekten, erweiterte Überwachungsfunktionen im Bereich hoher Frequenzen und eine leitende Verbindung der Chassis-Bauteile zur Vermeidung jeglicher Spannungspotenziale. Das BMW Sauber F1 Team stellte die Sicherheitsanalyse inklusive Maßnahmen und Empfehlungen umgehend der FIA und den konkurrierenden Teams zur Verfügung.

Entscheidende Tests im Frühjahr.

Wenn ein neues und derart komplexes Technologiethema in so kurzer Zeit auf F1-Niveau gebracht werden soll, muss man sich mit einem Plan B absichern. Theissen: „Wir entwickeln das KERS mit Hochdruck, weil wir darin eine große Zukunft sehen. Ich bin mir nicht sicher, ob die Zusatzleistung, die das KERS bringt, auch gleich von Anfang an bessere Rundenzeiten produziert. Wir wollen eindeutig mit dem KERS fahren, aber das Auto ist so konstruiert, dass man auch Komponenten ausbauen kann. Die Entscheidung, ob wir mit oder ohne das KERS fahren, fällt bei den Tests vor der Saison.“

BMW Sauber F1 Team fördert die Hybrid-Kompetenz der BMW Group.

Die BMW Group setzt bereits heute im Rahmen von BMW EfficientDynamics die Bremsenergie-Rückgewinnung in einer Vielzahl von Serienmodellen ein und bereitet außerdem die Einführung der BMW ActiveHybrid Technologie in mehreren Baureihen vor. Dr. Klaus Draeger, Entwicklungsvorstand der BMW AG: „Die BMW Group kann die im BMW Sauber F1 Team gewonnenen Erkenntnisse direkt in die Entwicklung von Serienfahrzeugen transferieren. Die Formel 1 ist damit die ideale Vorentwicklungsplattform für innovative Antriebstechnologien. Das neue Reglement gibt uns die Möglichkeit, innovative´Hybrid-Technologie unter extremen Bedingungen einzusetzen und dabei für die Serienentwicklung wichtige Erkenntnisse zu gewinnen. Davon werden BMW Kunden profitieren. Denn die für den BMW Sauber F1.09 konzipierte KERS-Einheit umfasst eine hoch wirksame Variante der Bremsenergie-  Rückgewinnung, die in ihrem Funktionsprinzip der für BMW Serienfahrzeuge entwickelten ActiveHybrid Technologie ähnelt.“

Der BMW P86/9 V8-Motor.

Die FIA hat die Motorenentwicklung in den vergangenen Jahren drastisch beschnitten. Argumente waren Sicherheit, also geringere Höchstgeschwindigkeiten, und Kostenersparnis.

Teil der Reglementierung war die Laufleistung, die seit 2002 immer weiter nach oben geschraubt wurde. 2003 mussten die Rennen erstmals mit demselben Motor bestritten werden, der zuvor im Qualifying eingesetzt worden war. 2004 galt die Ein-Wochenend-Motorenregel. Ab 2005 mussten die Triebwerke zwei GP-Wochenenden durchstehen, ab 2009 sind es mindestens drei, wobei dem Team für die gesamte Saison, inklusive Testbetrieb, nur noch 20 Motoren zur Verfügung stehen.

Die Konzeption des heutigen BMW V8-Motors reicht auf den November 2004 zurück. Damals war der Wechsel von V10- auf V8-Motoren zur Saison 2006 beschlossen worden. Gleichzeitig waren auch wesentliche Konstruktionsparameter reglementiert worden: Neben dem Hubraum von 2.400 ccm wurde für die V8-Motoren auch der Bankwinkel von 90 Grad vorgeschrieben. 95 Kilogramm Mindestgewicht wurden festgelegt – inklusive Ansaugtrakt einschließlich Luftfilter, Kraftstoffleitungen und Einspritzsystem, Zündspule, Sensoren und Kabelbaum, Lichtmaschine, Kühlmittel- und Ölpumpen. Aber ohne Befüllung, Auspuffkrümmer, Hitzeschilder, Öltanks, Batterien, Wärmetauscher und Hydraulikpumpe.

Die Schwerpunktlage des Triebwerks ist seither ebenfalls verbindlich vorgeschrieben: In der Höhe mindestens 165 Millimeter, gemessen wird von der Unterkante der Ölwanne. Auf der Längs- und Querachse des V8 muss der Schwerpunkt bis auf eine Abweichung von ± 50 Millimeter in der geometrischen Mitte des Motors liegen.

Die Zylinderbohrung wurde auf maximal 98 Millimeter limitiert, der Zylinderabstand auf 106,5 Millimeter (± 0,2 mm) fixiert. Die zentrale Achse der Kurbelwelle darf nicht weniger als 58 Millimeter über der Referenzlinie liegen. Variable Ansaugsysteme zur Optimierung des Drehmomentverlaufs sind ebenfalls schon seit 2006 verboten.

Die Spannungsversorgung der Motorelektrik und -elektronik ist auf maximal 17 Volt festgelegt. Die Kraftstoffpumpe muss mechanisch betrieben werden. Zur Betätigung des Drosselklappensystems darf nur ein Aktuator dienen. Mit Ausnahme der elektrischen Hilfspumpen im Benzintank müssen alle Nebenaggregate mechanisch und direkt über den Motor angetrieben werden. Zudem wurde eine lange Liste exotischer Materialien ausgeschlossen. Seither beschränkt man sich auf konventionelle, im Reglement festgeschriebene Titan- und Aluminiumlegierungen.

Weitere Einschränkungen folgten 2007. Ab Saisonbeginn galt die Drehzahlbegrenzung auf 19.000 U/min. Ende 2006 mussten alle Teams Triebwerke als Muster einreichen. Entwicklungsspielraum wurde nur noch für das Motorumfeld eingeräumt, etwa für die Kühlung, Ansaug- und Abgasanlage oder die Nebenaggregate. Ab 2009 gelten weitere Beschränkungen: Mit der Verdoppelung der Laufleistung wurde die maximale Drehzahl auf 18.000 U/min reduziert.

Das BMW G1.09-Schnellschaltgetriebe.

In den BMW Sauber F1.09 arbeitet ein in München entwickeltes und dort gebautes Schnellschaltgetriebe, das ohne Zugkraftunterbrechung auskommt. Das Getriebe wurde 2007 erstmals eingesetzt. Zur Saison 2008 wurde es an die seither für alle Teams vorgeschriebene Standard-Elektronik-Einheit angepasst sowie auf die verlängerte Laufleistung von vier GP-Wochenenden getrimmt. Für 2009 erfuhr es weitere Detailverbesserungen.

Der Einsatz der BMW G1.09-Getriebe an vier aufeinander folgenden Rennwochenenden entspricht einer Laufleistung von etwa 2.500 Kilometern. Lediglich die Zahnräder und Klauenringe der einzelnen Gänge dürfen pro Veranstaltung einmal an die Rennstrecke angepasst werden. Seit 2008 gilt ebenfalls: Die Gangzahnräder müssen ein Mindestgewicht von 600 Gramm pro Gang aufweisen, ihre Mindestbreite ist auf 12 Millimeter festgeschrieben, und der Achsabstand zwischen Haupt- und Nebenwellen darf 85 Millimeter nicht unterschreiten.

Um ohne Zugkraftunterbrechnung fahren zu können, ist ein ausgeklügeltes Zusammenspiel der mechanischen, hydraulischen und elektronischen Komponenten erforderlich. In einem herkömmlichen F1-Getriebe wurde die Antriebskraft zum Gangwechsel für ca. 50 Millisekunden unterbrochen, das Fahrzeug besaß in dieser Zeitspanne keinen Vortrieb, sondern rollte. Im Formel-1-Tempo führt der aerodynamische Widerstand während dieses Zeitraumes zu einer Verzögerung von bis zu 1g. Dies wiederum entspricht bei einem Pkw einem kräftigen Bremsvorgang. Das Einsparen der Zugkraftunterbrechung bei jedem Hochschalten – beim Großen Preis von Monaco passiert dies über die Renndistanz rund 2.000 Mal – summiert sich zu einem erheblichen Zeitvorteil beziehungsweise zu mehreren hundert Metern. Die im BMW G1.09-Getriebe extrem hoch belasteten Zahnräder werden zum Teil im BMW Werk Dingolfing gefertigt. Sie bestehen aus hochfestem Stahl, das Getriebe-Gehäuse aus Titan-Guss. Drehmoment und Drehzahl des Motors zu wandeln, ist dabei nur eine Aufgabe des Getriebes. Außerdem muss es in der Lage sein, die Kräfte des Fahrwerks aufzunehmen.

Die Standardelektronik.

Im Winter 2005 wurde die Einführung der SECU (Standard Electronic Control Unit) beschlossen, seit 2008 arbeitet sie in jedem Formel-1-Fahrzeug. Sie wurde den Teams praktisch als schwarze Box mit Gebrauchsanweisung geliefert und bedeutete, dass aufwändige eigene Lösungen über Bord geworfen werden mussten und die elektronischen Traktionskontrolle entfiel. Bei der von McLaren Electronics Systems stammenden SECU sind sowohl die elektronische Hardware als auch die Programme vorgegeben.

Da BMW sich schon seit dem Wiedereinstieg in die Formel 1 als Motorenpartner im Jahr 2000 erfolgreich auf elektronische Eigenentwicklungen verlassen hatte, anstatt auf einschlägige Zulieferer zu vertrauen, bedauerten die Münchner Experten diesen Schritt zutiefst. In dem KERS-Projekt haben sie eine neue Herausforderung gefunden und können an bereits früher erzielte Synergieeffekte zur Serie anknüpfen.

Die Lehren aus der Formel 1 für den Alltagsbetrieb.

Synergien zwischen F1- und Serienentwicklung herzustellen, war für BMW die Grundvoraussetzung beim Formel-1-Comeback zum Jahr 2000. Konsequent wurde die Entwicklung des Formel-1-Antriebsstrangs und der Elektronik am Standort München integriert. Dabei spielt das BMW Forschungsund Innovationszentrum (FIZ) eine Schlüsselrolle. Die F1-Fabrik wurde in weniger als einem Kilometer Entfernung von dieser Denkwerkstatt errichtet und mit ihr vernetzt. „Im FIZ arbeiten hoch qualifizierte Ingenieure in modernsten Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen an der technischen Zukunft von BMW“, erklärt Mario Theissen. „Das FIZ verfügt über enorme Ressourcen, von denen wir in der Formel-1-Entwicklung ohne Umwege profitieren. Und wir geben auch eine Menge zurück: Denn das F1-Projekt ist für die FIZ-Ingenieure ein einzigartiges Versuchsfeld. Derart extreme technische Anforderungen und ein solches Entwicklungstempo gibt es sonst nirgendwo.“

Im FIZ findet Materialforschung auf höchstem Niveau und im Schulterschluss mit den F1-Experten statt. Dabei hat die Entwicklung von Beschichtungsund Oberflächentechnologien einen hohen Stellenwert. Exemplarisch sei die DLC-Beschichtung genannt. Das Kürzel steht für Diamond Like Carbon, die Schichten bestehen im Wesentlichen aus Kohlenstoff. DLC-Schichten werden mittels chemischer oder physikalischer Verfahren, meist im Vakuum, aufgebracht. Schichtdicken betragen üblicherweise wenige Mikrometer. Typische Anwendungsgebiete sind Reibungs- und Verschleißminimierung. Da Reibungsminimierung in der Regel mit Effizienzsteigerung gleichgesetzt werden kann, finden DLC-Schichten Anwendung in vielen Bereichen moderner Rennmotoren, z. B. im Ventil- und Kurbeltrieb, auch im Bereich Getriebe oder Energierückgewinnung. Dank kontinuierlicher Prozessverbesserung und Kostenreduzierung finden DLC-Schichten den Weg aus dem Rennsport in die Hochleistungsmotoren der Serienentwicklung.

Die FIZ-Abteilung Rapid Prototyping/Tooling Technology unterstützt, wenn es um neue Komponenten geht. Vor der Herstellung eines Bauteils und erforderlicher Werkzeuge werden häufig maßgetreue Modelle erstellt. Sobald die benötigten Teile auf einem CAD-System konstruiert wurden, produzieren ebenfalls von Computern gesteuerte Maschinen mittels Laserstrahlen oder dreidimensionaler Drucktechnik maßgetreue Modelle aus Harz, Kunststoffpulver, Acrylat, Wachs oder Metall. Damit können kurzfristig Einbausituationen und Wechselwirkungen simuliert werden, um vor dem endgültigen Herstellungsprozess noch Modifikationen vornehmen zu können.

Auch für die Detektivarbeit der Schadensanalyse stehen die Einrichtungen des FIZ zur Verfügung. In der Bearbeitungstechnologie zahlt sich für die Formel 1 erworbenes Wissen ebenfalls aus. Es wird beispielsweise für Zylinderköpfe und Kurbelgehäuse für Serien-Pkw ebenso genutzt wie bei BMW Motorrad.

Auch im Bereich der Gusstechnologie profitiert die Serie von der Formel 1. Die Leistungsfähigkeit und Standfestigkeit von Motorblock und Zylinderkopf hängt entscheidend von der Gussqualität ab. Fortschrittliche Gusstechnologien mit höchst genauer Prozessführung ermöglichen leichte Bauteile von hoher Steifigkeit. Um dies für Serienfahrzeuge zu gewährleisten, unterhält BMW eine Gießerei in Landshut. Bereits 2001 wurde ihr eine eigene F1-Gießerei angegliedert. Beide Abteilungen arbeiten unter einer gemeinsamen Führung. Das garantiert den permanenten Austausch. Mit dem gleichen Sandgussverfahren, mit dem der Formel-1-V8 entsteht, werden Ölwannen für die M-Modelle, die Sauganlage für den Achtzylinder-Dieselmotor sowie die Prototypen künftiger Motorgenerationen gegossen.

Fast zeitgleich mit der Inbetriebnahme der F1-Gießerei wurde nach demselben Modell eine F1-Teilefertigung an jene für Serienkomponenten angeschlossen. Dort fertigt das F1-Team unter anderem die Nockenwellen und die Kurbelwellen für die Formel 1.

BMW P86/9 – technische Daten.

Quelle: BMW Presse-Information vom 20.01.2009

Weiter: BMW Sauber F1 Team 2009, Technik: Zahlen und Fakten