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Datenanalysen im Motorsport Mit Innovation und Kollaboration zum perfekten Formel-1-Boliden

| Autor / Redakteur: Wolfgang Kelz / Nico Litzel

Als fünfmaliger Gewinner der FIA-Formel-1--Konstrukteurs-Weltmeisterschaft kennt Mercedes-AMG Petronas Motorsport das Gefühl, auf dem Siegertreppchen zu stehen. Über die Jahre entwickelte das Team eine Datenkultur, die im gesamten Unternehmen Anwendung findet und modernste Analysetechnologien nutzt, um wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen.

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Datenanalysen spielen im Motorsport eine entscheidende Rolle. Auf der Suche nach dem optimalen Fahrzeugdesign werden umfangreiche Testreihen im Windkanal gefahren.
Datenanalysen spielen im Motorsport eine entscheidende Rolle. Auf der Suche nach dem optimalen Fahrzeugdesign werden umfangreiche Testreihen im Windkanal gefahren.
(Bild: © Wolfgang Wilhelm for Daimler AG)

Mercedes-AMG Petronas Motorsport verdankt seine Führerschaft der Tatsache, dass alle Räder der Rennmaschinerie reibungslos ineinandergreifen: von der Konstruktion des optimalen Fahrwerks, Chassis und Motors sowie der geeigneten Fahrerpaarung über die Empfehlung einer auf Daten und Tests basierenden Fahrzeugkonfiguration nach neuestem Stand der Technik bis hin zur Anwendung vielfach bewährter Rennstrategien. Die Formel 1 ist von extremem Wettbewerb geprägt; entsprechend schwer ist es, an die Spitze zu gelangen und sich dort zu halten. Erfolgreiche Teams wie Mercedes-AMG Petronas Motorsport setzen deshalb auf ein ganzheitliches Designkonzept, bei dem alle Beteiligten auf höchstem Niveau funktionieren und kooperieren.

Eine zentrale Voraussetzung für den Erfolg von Mercedes-AMG Petronas Motorsport ist das gekonnte Spiel mit der Aerodynamik. Neben Reifen und Motor ist diese der entscheidende Performancetreiber eines Formel-1-Rennwagens. Die Aerodynamik übernimmt zwei Aufgaben: Sie erzeugt den Anpressdruck und überwindet den Luftwiderstand, sodass das Auto schneller um Kurven fahren kann, und sie ermöglicht zugleich eine schnellere Geradeausfahrt, indem sie die Haftung der Reifen auf der Fahrbahn verbessert. Schon eine minimale Erhöhung des Anpressdrucks kann somit den entscheidenden Vorteil bringen.

Mercedes-AMG Petronas Motorsport testet die Aerodynamik seiner Fahrzeuge primär in einem eigenen, hochmodernen Windkanal, ergänzt durch dynamometrische Tests der verschiedenen Komponenten. Indem Experten die beweglichen Fahrzeugteile wie Motor, Getriebe und Bremsen exakt replizieren und auf einem Prüfstand umfangreichen Dyno-Tests unterziehen, können sie erkennen, wie sich bestimmte Umgebungsbedingungen auf die Fahreigenschaften auswirken. Damit stellen sie sicher, dass alle Komponenten am Tag X mit höchster Zuverlässigkeit und Performance funktionieren.

Neue Vorgaben

Eine neue Rennsaison bedeutet neue Regeln. 2019 überarbeitete die FIA ihre Vorgaben für die aerodynamische Gestaltung der Boliden. Ein Rennstall mit einem kompetenten Technologiepartner ist hier eindeutig im Vorteil, denn er kann zentrale Daten erfassen und erfolgsentscheidende Elemente gezielt analysieren. Wer sein Auto bis ins kleinste Detail abstimmt und dabei das Reglement der FIA penibel einhält, verschafft sich einen deutlichen Wettbewerbsvorsprung.

Mike Elliott, Technology Director bei Mercedes-AMG Petronas Motorsport, ist zuständig für Aerodynamik und Dyno-Tests. Neben ihm arbeiten auch John Ingle, Head of Dyno, und Andrew Crook, Principal Aerodynamicist, an der fortlaufenden Optimierung der Silberpfeile, indem sie kleinste Verbesserungsmöglichkeiten nutzen, um die Gefährte noch schneller zu machen.

„Alle Teams haben fähige Leute, die mit enormem Einsatz bei der Sache sind“, weiß Elliott. „Letztendlich kommt es aber darauf an, wie man die Leute dazu bringt, dass sie bei Daten und Prozessen Hand in Hand zusammenarbeiten, um auch das letzte Quäntchen an Performance herauszuholen.“

Tests und Analysen

Für Andrew Crook ist ein Windkanal nichts anderes als ein „sehr großer Fön“. Ein Objekt (in diesem Fall ein maßstabsgetreues Modell eines Formel-1-Autos) wird darin fixiert und anschließend unterschiedlich starken Luftströmungen ausgesetzt, um verschiedene Designelemente auf ihren aerodynamischen Effekt zu untersuchen. Indem sie die auf das Modell einwirkenden Kräfte und Drücke messen, erhalten Crook und sein Team Aufschluss über das jeweilige Strömungsverhalten. Seit 2019 müssen sie eine zusätzliche Herausforderung meistern, denn die neuen FIA-Regeln geben die Anzahl der Windkanaltests, die im Windkanal verbrachte Zeit und sogar die Strömungsgeschwindigkeiten vor. So dürfen die Tests z. B. nur mit 50 Metern pro Sekunde oder 180 Kilometern pro Stunde stattfinden.

„Im Windkanal arbeiten ganz unterschiedliche Spezialisten zusammen: Prüftechniker, Modelltechniker, Systemingenieure und Aerodynamiker, die Entwicklungstests durchführen“, erläutert Crook. In seiner hochmodernen Windkanalanlage kann das Team ein Formel-1-Auto mit einer Strömungsgeschwindigkeit von nahezu 300 Stundenkilometern testen (ungeachtet des FIA-Limits von 180 km/h). Der Boden der Anlage ist beweglich – ein wichtiger Faktor angesichts der niedrigen Bodenfreiheit von Formel-1-Autos. Kombiniert mit der Simulation des Reifenabrollverhaltens ergibt sich ein daraus umfassendes Testbild.

„Die Windkanalanlage leistet einen wesentlichen Beitrag zum Erfolg von Mercedes-AMG Petronas Motorsport“, ist Andrew Crook überzeugt. Für die aerodynamischen Messungen wird ein Fahrzeug mit einem Maßstab, der 60 Prozent der Originalgröße entspricht, verwendet. Dabei versuchen die Aerodynamiker, mit den verfügbaren Tools bei jedem Windkanaldurchlauf so viele Informationen wie irgend möglich zu erhalten. Angesichts der begrenzten Zahl der erlaubten Durchläufe müssen sie auf Basis dieser Informationen möglichst schnell entscheiden, was sofort und was zu einem späteren Zeitpunkt geprüft werden soll. Für Mercedes-AMG Petronas Motorsport geht es bei jeder Entscheidung darum, die richtige Balance zwischen Chancen und Risiken zu finden und dadurch die Performance seiner Fahrzeuge zu optimieren.

Ein Maximum an Erkenntnissen gewinnen

„Bei der Nutzung des Windkanals ist es sehr wichtig, dass wir aus jedem Durchlauf ein Maximum an Erkenntnissen gewinnen und zugleich die Dauer pro Durchlauf minimieren“, so Crook weiter. Damit aus Aerodynamik und anderen Komponenten ein Gesamtpaket mit einem Höchstmaß an Zuverlässigkeit wird, muss das Team auch Daten vom Renngeschehen erfassen und zusammenführen. Die Aerodynamiker nutzen Windkanalmessungen von Druck, Kraft und Luftströmung, um ein besseres Verständnis von den Performancemerkmalen des Autos zu erhalten und es perfekt an die jeweilige Strecke anpassen zu können. Dabei ist eine erstklassige Aerodynamik immer das Resultat einer engen Zusammenarbeit mit Dyno-Testern, Renningenieuren und Konstrukteuren.

Umfassende Testreihen

Formel-1-Teams sind ständig auf der Suche nach Verbesserungsmöglichkeiten – eine Aufgabe, die angesichts der kontinuierlichen Weiterentwicklung immer schwieriger wird. Im erbitterten Kampf um Millisekunden setzt Mercedes-AMG Petronas Motorsport auf umfangreiche Dyno-Tests.

„Durch umfassende Tests auf unserem hauseigenen Prüfstand können wir das Auto auf Herz und Nieren untersuchen, bevor es auf die Strecke geht“, erklärt John Ingle. „Da draußen kann sich das Team dann voll und ganz auf die Performance konzentrieren, anstelle mit Zuverlässigkeitsproblemen zu kämpfen, deren Lösung wertvolle Zeit verschlingt.“

Um die Lebensdauer der teuren Fahrzeugkomponenten zu verlängern, steht den Teams nur eine eingeschränkte Testzeit auf der Strecke zur Verfügung. Erschwerend kommt hinzu, dass in der laufenden Saison für insgesamt 21 Rennen nicht mehr vier oder fünf, sondern nur noch drei Motoren zulässig sind. Mercedes-AMG Petronas Motorsport prüft das Zusammenspiel von Motor, Getriebe und Hydraulik daher bereits in einem sehr frühen Stadium, um sicherzustellen, dass die kritischen Komponenten die gesamte Renndistanz durchhalten.

Laut aktuellem FIA-Reglement darf in sechs aufeinanderfolgenden Events nur ein einziges Getriebe im Einsatz sein. Zudem muss für das komplette Jahr eine Standard-Getriebeübersetzung ausreichen (2019 sind noch acht Übersetzungen zulässig). In der Vergangenheit konnten die Teams verschiedene Getriebeübersetzungen wählen, um den sehr unterschiedlichen Bedingungen der diversen Rennstrecken gerecht zu werden. All dies zwingt die Konstrukteure dazu, bis ans absolute Limit zu gehen und die verfügbaren Materialien auf hochinnovative Weise anzuwenden.

Die Daten der Dyno-Tester sind auch für die Renningenieure ein wertvoller Input, der ihnen ein optimales Setup des Autos erlaubt. Dank der Zusammenarbeit mit den Dyno-Testern können sie die Performance von Motor und Getriebe effektiv auf den Prüfstand stellen und dabei Szenarien durchspielen, die repräsentativ für die Bedingungen in der Praxis sind.

Von der Information zur Erkenntnis

Aerodynamische Prüfanlagen wie beispielsweise ein Windkanal erzeugen oft sehr große Datenmengen. Bei ihren Tests beurteilen Mike Elliott und sein Team ein Modell eines Formel-1-Autos, das jedoch nicht die exakten Abmessungen und Spezifikationen wie das Originalfahrzeug aufweist und nicht auf dieselbe Art und Weise gefahren werden kann, wie dies in der Praxis der Fall ist. Sie müssen daher die aerodynamischen Eigenschaften unter möglichst realistischen Bedingungen testen, um die erhofften Performancegewinne auch dann realisieren zu können, wenn der Startschuss fällt.

„Neben unserem ingenieurstechnischen Sachverstand nutzen wir die in der virtuellen Umgebung und in der Fahrpraxis gesammelten Daten, um fundierte Entscheidungen zu treffen, die unsere Autos noch schneller machen“, beschreibt Elliott das Vorgehen seines Teams und entwirft ein beeindruckendes Bild: Hochqualifizierte Datenwissenschaftler und Ingenieure beobachten gemeinsam Motorbauteile, die hinter einer Plexiglasfront mit tausenden von Umdrehungen pro Minute rotieren, und diskutieren Messwerte und Leistungskennziffern.

Dyno-Tests spielen eine essentielle Rolle bei Mercedes-AMG Petronas Motorsport. Das zuständige Team stellt nicht nur sicher, dass die Tests einwandfrei funktionieren, sondern erfasst auch Daten aus verschiedenen Quellen. Die gewonnenen Daten werden sorgfältig analysiert, um Hinweise auf Funktions- und Leistungsprobleme, aber auch Verbesserungspotenziale ausfindig zu machen. Von den Dyno- und Werksexperten werden sie dann in wertvolle Einblicke umgewandelt, die smarte Entscheidungen zur Steigerung der Fahrzeugleistung erlauben.

Testdaten in Erkenntnisse umwandeln

Bei den Analysetools steht Tibco Spotfire an vorderster Front, um Testdaten in Erkenntnisse umzumünzen und über Abteilungsgrenzen hinweg faktenbasierte Entscheidungen zu ermöglichen, mit denen sich die Performance steigern und Meisterschaften gewinnen lassen. Dank Spotfire hat das Team die Daten während der gesamten Saison fest im Blick. Damit leistet Spotfire einen wichtigen Beitrag zum hervorragenden Abschneiden der Silberpfeile, von der verbesserten Aerodynamik, die eine effizientere Nutzung der Windkanaltests erlaubt, über die visuelle Echtzeitanalyse der Fahrzeug- und Fahrerleistung während der Testrunden bis hin zu zuverlässigeren Komponenten, mit denen sich Strafversetzungen infolge eines verfrühten Teileaustauschs oder auch DNF-Resultate vermeiden lassen.

„Spotfire gibt uns sehr viel dynamischere Einblicke in unsere Daten und sehr viel mehr Freiheit bei der Nutzung dieser Daten“, lobt John Ingle. „Mit Spotfire können wir große Datenmengen verarbeiten und uns dabei auf kleinere Teilaspekte fokussieren, aus denen wir auch für die Zukunft wichtige Hinweise ablesen können.“

Im Bedarfsfall kann das Team die Daten innerhalb kürzester Zeit filtern, um eine spezifische Aktion zu analysieren, wie beispielsweise den Austausch eines Teils in einer bestimmten Runde. Dabei entfernen Ingle und sein Team die Daten aller anderen Teilewechsel und untersuchen lediglich die relevanten Temperatur- oder Drucktrends.

„Unsere Tests liefern bereits heute eine Fülle von Daten, mit steigender Tendenz aufgrund der immer größeren Zahl an Sensoren. Mit der Tibco-Funktionalität können wir diesen Pool im zeitlichen Verlauf analysieren, sei es über ein Rennen oder ein ganzes Jahr hinweg“, so Ingle. „Indem wir unseren Blick weiten, erkennen wir Dinge, die uns bei einer Betrachtung aus der Nähe womöglich entgehen würden. Letztendlich suchen wir nach den verborgenen Signalen, die ein erster Hinweis auf ein potenzielles Problem im Rennbetrieb sein könnten.“

Besseres Verständnis der Daten

Die Fähigkeit zum korrekten Lesen dieser Signale ist aus drei Gründen wichtig: für ein besseres Verständnis der Daten, um Probleme bereits im Vorfeld beheben zu können, um exakt zu erkennen, wann ein Ausfall unmittelbar bevorsteht, und um dem Team die Optimierung des Fahrzeugs zu ermöglichen. Wenn es gelingt, all dies frühzeitig und präzise umzusetzen, lässt sich nicht nur die Performance des Autos steigern, sondern womöglich ein ganzes Rennen gewinnen.

„Wir werden bei jedem Event aufs Neue herausgefordert. Je schneller wir daher an Informationen gelangen, desto schneller können wir Entscheidungen treffen und desto rasanter sind unsere Autos unterwegs“, resümiert Mike Elliott. „Je mehr Erkenntnisse wir gewinnen, desto mehr Erkenntnisse können wir auf unsere Arbeit anwenden und damit die Voraussetzung für noch mehr Tempo schaffen.“

Aerodynamiker bringen viel Können und Kreativität auf, um ihre Tests mit den gesammelten Daten weiter zu verbessern und neue Ideen für die Zukunft zu entwickeln. Sie nutzen die Daten auch zur Simulation des Fahrzeugverhaltens und für ein optimales Setup auf dem Parcours. Dank der kombinierten Echtzeit-Power von Spotfire und Tibco Streaming Analytics kann Mercedes-AMG Petronas Motorsport extrem umfangreiche Datenmengen effizient durchsuchen und schnellere, bessere und fundiertere Entscheidungen ermöglichen.

Messbare Resultate

Worauf es bei Mercedes-AMG Petronas Motorsport ankommt, gilt zweifellos auch für andere Branchen: fortlaufend neues Wissen zu gewinnen, Daten schnell zu analysieren und daraus Erkenntnisse zu erlangen, die zu sachkundigeren Entscheidungen führen.

„Einige Ansätze aus der Formel 1 lassen sich definitiv auf andere Wirtschaftsbereiche übertragen. Unsere Aufgabe lautet, Daten schnellstmöglich auszuwerten und in Wissen umzusetzen, um möglichst gute Rundenzeiten zu erzielen,“ meint Mike Elliott. „In anderen Branchen könnte es um Produkte und um die damit erzielte Umsatzrendite gehen. Auch hier ist die Datenanalyse extrem wichtig, auch nach außen.“

Analog zu den Dyno-Tests der Formel 1 können auch Unternehmen in anderen Sektoren ihre operative Effizienz kritisch unter die Lupe nehmen. Denn trotz aller Routine des Silberpfeil-Teams gibt es bei Ausfallzeit, Vorbereitung, Montage, Demontage und vielem anderem noch signifikante Verbesserungspotenziale. Für deren Realisierung setzt Mercedes-AMG Petronas Motorsport, wie viele andere Unternehmen auch, auf die gezielte Nutzung von Daten. Auf lange Sicht ergeben sich daraus weitere Vorteile, sei es die Erschließung von Ressourcen, die Entwicklung neuer Produkte und Dienstleistungen oder die Einsparung von Kosten.

„Der größte Vorteil des Windkanals besteht darin, dass wir aus den gewonnenen Daten sehr schnell Rückschlüsse auf reale Komponenten unserer Autos ziehen können. Gerade wenn es zu Problemen kommt, ist diese direkte Korrelation sehr wichtig,“ unterstreicht Mike Elliott.

Zukunftsorientierte Unternehmen aus allen Branchen können Daten strategisch einsetzen und als Motor für den Erfolg nutzen, wie dies Mercedes-AMG Petronas Motorsport so eindrucksvoll vormacht. Nicht umsonst konnten die Silberpfeile fünf Weltmeistertitel in fünf aufeinanderfolgenden Jahren erringen. Eine solche Bilanz ist nicht nur ein sportlicher Sieg, sondern auch eine unternehmerische Leistung.

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