Grundkurs Rennwagentechnik

Leistungsstarke und sportliche Fahrzeuge üben sowohl auf der Straße als auch auf der Rennstrecke auf viele Menschen eine besondere Faszination aus, und so mancher Kindheitstraum dreht sich um bzw. auf vier Rädern. Ein erfüllbarer Traum ist der 2013 auf den Markt gebrachte Volkswagen Golf VII GTI Performance. Er kombiniert sportliche Fahrleistungen mit uneingeschränkter Alltagstauglichkeit. In Abb. 1.1 sind einige seiner technischen Daten denen des Red Bull RB6, des Weltmeisterfahrzeugs der Formel-1-Saison 2010, gegenübergestellt. Der Golf VII GTI wird von einem 2,0-l-Vierzylinder-Reihenmotor mit Turboaufladung und Direkteinspritzung angetrieben, der eine maximale Leistung von 230 PS abgibt. Vorgeschrieben durch das damalige Reglement, verfügt der Red Bull RB6 über einen direkt einspritzenden 2,4-l-V8-Saugmotor, der etwa 725 PS abgibt. Das maximale Drehmoment des TFSI-Motors beträgt 350 Nm, während der Renault-Motor des Red Bull RB6 „nur“ etwa 290 Nm liefert. An dieser Stelle müsste sich der Red Bull RB6 in einem Autoquartett dem GTI geschlagen geben. Allerdings erreicht der Formel-1-Motor eine Maximaldrehzahl von 18.000 U/min. Beim Golf VII GTI wird bereits bei etwa 6800 U/min der Drehzahlbegrenzer aktiviert. Die Leistung des Motors wird als Produkt aus Drehzahl und Drehmoment bestimmt, wodurch die Kraftverhältnisse – auch im Autoquartett – wieder geradegerückt sind. Nachteilig für den Red Bull RB6 wäre in diesem Fall aber der Verbrauch von 47–70 l auf 100 km, der sich unter Rennbedingungen einstellt. Der Normverbrauch eines Golf VII GTI scheint dort mit 6 l auf 100 km deutlich günstiger zu sein. In dieser Form hat der Vergleich aber keine Aussagekraft. Rennmotoren weisen bessere Wirkungsgrade als Serienmotoren auf, und ihr Verbrauch ist, bezogen auf die abgegebene Leistung, in der Regel erheblich niedriger als der von Serienmotoren. Auf der Nordschleife des Nürburgrings steigt der Verbrauch eines Golf VII GTI auf deutlich über 20 l pro 100 km an.

Die Idee, mit dem Automobil Rennen auszutragen, ist praktisch genauso alt wie das Automobil selbst, dessen Geschichte 1885 mit der Jungfernfahrt des Benz Patent-Motorwagen Nummer 1 (Abb. 2.1a) – eines dreirädrigen Fahrzeugs mit benzingetriebenem Verbrennungsmotor und elektrischer Zündung – beginnt. Am 29. Januar 1886 meldete Carl Benz seine Erfindung beim Reichspatentamt unter der Nummer 37435 zum Patent an. Dieses Patent gehört heute zum Weltkulturerbe der UNESCO.

Die professionelle Austragung von Rennserien oder Motorsportveranstaltungen erfordert ein strukturiertes Zusammenspiel von Motorsport- bzw. Automobilverbänden, Vermarktungsgesellschaften, Veranstaltern und teilnehmenden Rennställen. Abb. 3.1 zeigt die wesentlichen Rollen und Aufgaben, die zur Austragung einer Rennserie wahrgenommen werden. Eine Auswahl einiger bedeutender Automobil- bzw. Motorsportverbände und die ihr zugeordneten Rennserien bietet Abb. 3.2.

Die Reifen sind das einzige Bindeglied zwischen Fahrzeug und Fahrbahn. Auf der Kontaktfläche zwischen Reifen und Fahrbahn, dem Reifenlatsch, werden alle Kräfte übertragen, die zum Antreiben, Bremsen und Lenken erforderlich sind (Abb. 4.1). Die Eigenschaften der Reifen prägen einem Fahrzeug daher auf entscheidende Weise sein fahrdynamisches Verhalten auf. Eine ernsthafte Auseinandersetzung mit der Fahrdynamik erfordert zwingend die Beachtung des nachstehenden Grundsatzes:

Das Themengebiet der Fahrdynamik beschreibt unter anderem den Zusammenhang zwischen Fahrerhandlungen, Fahrzeugeigenschaften und Bewegungszustand des Fahrzeugs. Die Bewegungsgrößen resultieren aus den am Fahrzeug wirkenden Kräften, welche dem Fahrzeug vom Fahrer durch die Betätigung von Lenkrad und Pedalerie über die Reifen aufgeprägt werden.

Die Aerodynamik ist im Hochleistungsrennsport zum dominierenden Wettbewerbsfaktor geworden. In diesem Abschnitt werden die wichtigsten Kennwerte zur Beschreibung aerodynamischer Eigenschaften eines Fahrzeugs eingeführt, und ihr Einfluss auf die Fahrdynamik wird erläutert. Mithilfe dieser Kennwerte wird verdeutlicht, in welchen Dimensionen sich das aerodynamische Verhalten eines Rennfahrzeugs von dem eines Serienfahrzeugs unterscheidet. Im weiteren Verlauf des Kapitels werden dann Funktion und Zusammenspiel der aerodynamischen Komponenten eines Rennfahrzeugs beschrieben.

In diesem Kapitel erfolgt eine übergeordnete Betrachtung des Beitrags, welchen das Fahrwerk zum fahrdynamischen Leistungspotenzial eines Rennfahrzeugs beisteuert. Konstruktive Details einzelner Fahrwerkskomponenten und -bauteile für den Einsatz im Motorsport sind umfassend in [1] beschrieben.

Differenzialsperren sind eine Komponente des Antriebsstrangs und werden im Achsgetriebe oder bei mechanischen Allradsystemen im Verteilergetriebe eingesetzt. Da mechanische Allradsysteme im Hochleistungsrennsport mit der Ausnahme von Rally- oder Rally-Raid-Fahrzeugen nicht zulässig sind, beschränken sich die nachstehenden Ausführungen auf die Verwendung von Differenzialsperren in Achsgetrieben.

Unter dem Begriff Gesamtfahrzeugkonzept werden alle technischen Prinziplösungen bzw. Komponenten zusammengefasst, die zur Aufgabenerfüllung eines Fahrzeugs erforderlich sind. Als Träger der Komponenten fungiert die Fahrzeugstruktur bzw. die Rohkarosserie. In Abb. 9.1 sind die wesentlichen Einflüsse auf das Gesamtfahrzeugkonzept und seine Struktur zusammengefasst.

In den ersten Jahrzehnten des Motorsports war der Begriff Sicherheit für alle Beteiligten ein Fremdwort, und der Tod war ein mehr oder weniger akzeptierter Begleitumstand des Motorsports. Selbst der Tod eigentlich am Rennen unbeteiligter Zuschauer führte in der Regel nur zu einer kurzzeitig aufflammenden Empörung. Sogar die tragischen Ereignisse während der 24 Stunden von Le Mans im Jahr 1955, bei dem nach offiziellen Angaben der Mercedes-Fahrer Pierre Levegh und 83 Zuschauer ums Leben kamen, führten nicht zu einem Umdenken beim Thema Sicherheit. Von dem gerade mal 10 Jahre zurückliegenden Zweiten Weltkrieg waren die Menschen schlimmeres Leid gewohnt. Lediglich die auf öffentlichen Straßen ausgetragene Mille Miglia wurde, nachdem im Jahr 1957 zwei Fahrzeuginsassen und 11 Zuschauer bei einem Unfall ums Leben kamen, verboten. Eine vergleichbare Tragödie spielte sich 1962 beim Großen Preis von Italien in Monza ab, bei dem der Ferrari-Fahrer Wolfgang Berghe von Trips und 15 Zuschauer getötet wurden. Begünstigt wurden derartige Unfälle durch den Umstand, dass auf den damaligen Rennstrecken keinerlei bauliche Trennungen zwischen Fahrbahn und Boxenanlagen oder angrenzenden Waldgebieten sowie Zuschauerrängen existierten.

Nachstehende Daten wurden auf dem Silverstone Circuit ermittelt. Mit welcher Geschwindigkeit durchfährt ein Golf VII GTI die Kurve „Copse“? (Abb. 11.1)