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Über dieses Buch

Der Leser wird zunächst lernen, seinen Rennwagen selbst zu vermessen, um das Setup des Autos letztendlich besser kennen- und verstehen zu lernen. Daraufhin folgt sukzessive die Vermittlung von Grundlagen mit dem Anspruch der unmittelbaren Anwendbarkeit des Wissens. Als erstes werden die wichtigsten Eigenschaften der Reifen beschrieben, um zu vermitteln, wie man die Eigenschaften der Reifen optimal ausnutzen kann. Erst in der Folge werden Federung, Schwingungsdämpfer (Stoßdämpfer), Stabilisatoren, Fahrwerksgeometrien und die Aerodynamik behandelt mit der Zielsetzung, das Potenzial der Reifen bestmöglich einzusetzen. Abschließend wird das Gelernte optimal auf das Durchfahren einer Kurve, verteilt auf fünf wesentliche Segmente, angewendet und pro Segment eine Analyse für mögliche Ursachen von Unter- und Übersteuern durchgeführt und Lösungsansätze gegeben.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Vermessung des Setups Measurement of Setup

Zusammenfassung
Oberstes Ziel im Rennsport ist die ständige Verbesserung der Rundenzeiten. Bevor jedoch überhaupt Optimierungsansätze hinsichtlich der Fahrdynamik eingesetzt werden können, ist zunächst die Kenntnis des aktuellen „Setups“ zwingend erforderlich, d.h. die Kenntnis der:
- Gewichtsverteilung und Abmessungen
- aktuellen Einstellwerte des Fahrwerks
- aerodynamischen Einstellparameter.
Als Ausgangsbasis für Optimierungen sind Schwerpunktslage, statische Radlasten, Massenträgheitsmoment um die Hochachse sowie die Einstellwerte für Sturz, Spur, Nachlauf und Spreizung zu ermitteln. Ergänzt werden diese Werte durch die Bestimmung des Luftwiderstandsbeiwertes und des Rollwiderstandsbeiwertes anhand eines Ausrollversuchs.
Oftmals nutzen Rennteams, insbesondere Amateure, ein schon bestehendes Auto anstelle eines selbst konstruierten Rennwagens. Deshalb ist es wichtig, das existierende Auto vermessen zu können, um anschließend darauf aufbauend die wichtigsten Berechnungen, die in diesem Buch vorgestellt werden, durchführen zu können.
Ralph Pütz, Ton Serné

2. Einleitung und Definitionen Introduction and Definitions

Zusammenfassung
Beschreibung des Unterschieds zwischen Straßenlage und Fahrverhalten. Die Segmentierung einer Kurve in fünf Phasen (Einlenken, Einrollen, Mittelteil der Kurve, Zurückrollen und Auslenken) vergrößert das Verständnis der Dynamik eines Rennwagens beim Durchfahren einer Kurve. Der Unterschied zwischen Zentrifugalkraft, oder ’die Unsichtbare Hand’, und Zentripetalkraft wird erläutert. Zum Schluss wird die Ermittlung von Untersteuern und Übersteuern mit Hilfe von zwei unterschiedlichen Methoden mit Erläuterung der theoretischen Grundlagen aufgezeigt.
Ralph Pütz, Ton Serné

3. Reifen Tires

Zusammenfassung
Die Reifen sind mit entscheidend für die Eigenschaften eines Rennwagens sowohl hinsichtlich Längs- als auch Querdynamik. Sie bestimmen Traktion und Bremsvermögen sowie die erreichbaren Kurvengeschwindigkeiten und haben letztendlich von allen Komponenten den größten Einfluss auf das wichtigste Kriterium: die Rundenzeit. Daher ist das Verständnis der Reifeneigenschaften, die in ihrer Summe den Faktor „Grip“ ausmachen, eine wichtige Voraussetzung für die Interpretation des Fahrzeugverhaltens in den fünf Phasen der Kurvenfahrt (siehe Kap. 2). In der Regel treten bei einem Rennwagen in jeder Fahrsituation stets sowohl Längs- als auch Querkräfte auf.
Es werden die nicht-lineare Reifencharakteristik bei Längs- und Seitenkräften erläutert und zugehörige Berechnungsansätze vorgestellt. Ebenso wird der Einfluss des abnehmenden Reibungskoeffizienten bei zunehmender Normalkraft diskutiert. Ein Ansatz für die Ermittlung der Kamm´schen Ellipse, eine optimale Stabilisatoreinstellung, die Bewertung des Setups anhand differenzierter Reifentemperaturmessungen sowie die Ermittlung des optimalen Reifendrucks und Interpretation der Reifenabnutzung werden ebenfalls vorgestellt.
Ralph Pütz, Ton Serné

4. Schwingungsdämpfer Dampers/Shock Absorbers

Zusammenfassung
Ein Rennfahrzeug stellt ein komplexes schwingungsfähiges System dar, das u. a. durch Unebenheiten in der Fahrbahnoberfläche und durch Überfahren der Curbs sowie Fahrzeugberührungen zu Schwingungen angeregt wird. Die vertikalen Schwingungen entlang der Hochachse (z-Achse) beeinflussen dabei durch Radlastveränderungen nicht nur die Vertikaldynamik des Fahrzeugs, sondern auch signifikant die Querdynamik.
Dämpferbauarten, -Kennlinien und -Parameter werden ihrer Wirkung vorgestellt. Anhand eines Viertelfahrzeugmodells werden Dämpferrate und Dämpfungsmaß rad- und dämpferbezogen anhand eines Beispiels analysiert. Ebenso wird die Dämpferwirkung anhand von Histogrammen und aufgezeichneten Federwegen hinsichtlich der Dämpfung hoher und niedriger Frequenzen während des Durchfahrens der fünf Phasen einer Kurve beurteilt.
Ralph Pütz, Ton Serné

5. Geometrie Geometry

Zusammenfassung
Die Geometrie beschreibt die Konfiguration und Anordnung von Systemlinien und Drehpunkten an einer Radaufhängung. Damit bestimmt die Geometrie, wie die Kräfte der Reifen über die Räder und die Radaufhängung auf die Aufbaumasse des Fahrzeugs übertragen werden. Wenn die Kraftübertragungskinematik nicht vollständig verstanden wird, können bei falscher Geometriewahl Probleme entstehen, deren geometriebedingter Ursache man sich sogar oft nicht bewusst ist. Das Ergebnis in diesen Fällen ist dann meist, dass Probleme wie z. B. zu viel Rollen, Nicken oder unerwünschte Eigenlenkung beim Einfedern (Bumpsteer) fälschlicherweise mit Federungs- und Stabilisator-Einstellungen beseitigt werden, die i. d. R. viel zu hart für das Auto sind.
Ausführlich werden hier beschrieben: Zusammenhang zwischen Spreizung und Nachlaufwinkel, Vorspur und Nachspur, Rollzentrum und Nickzentrum, Geometrie der Radaufhängung und der Spurstangenmechanismus, das Kräftespiel in Längs- und Querrichtung, das Ackermannprinzip sowie die analytische Ermittlung der Bewegung einer Doppelquerlenker-Radaufhängung Radaufhängung.
Ralph Pütz, Ton Serné

6. Federung Springs

Zusammenfassung
Beschrieben wird die Notwendigkeit, warum ein Fahrwerk mit Federung ausgestattet wird, und wie die Federn berechnet werden können. Nicht nur Schraubenfedern und Torsionsfedern werden beschrieben, sondern auch Blattfedern, weil letztere vor allem in historischen Rennserien üblich sind. Die Rolle der ″Motion Ratio″ wird aufgezeigt, und wie man diese in praxi vermessen kann. Zahlreiche Rechenbeispiele zu Federn und zur Umrechnung der Federrate mittels der Motion Ratio zur Federrate am Rad dienen der Verdeutlichung. Der Rollwiderstand und Nickwiderstand durch die Federn wird ebenso behandelt wie das Auswiegen des Autos.
Ralph Pütz, Ton Serné

7. Differenziale (Ausgleichsgetriebe) Differentials

Zusammenfassung
Differenziale sind ein essentielles, aber oftmals viel zu wenig beachtetes Subsystem eines Rennwagens. Ein Differenzial ist erforderlich, da bei Kurvenfahrt das kurvenäußere Rad der Antriebsachse eine um Δv größere, das kurveninnere Rad eine um Δv kleinere Geschwindigkeit aufweist als der Mittelpunkt der Antriebsachse. Ein Ausgleich ist folglich erforderlich. Ohne Differenzial (Ausgleichsgetriebe) würde sich eine kaum tolerierbare Belastung der Achsantriebswellen und Gelenke einstellen, die letztendlich zum Ausfall des Antriebs – und damit des Fahrzeugs – führen kann (eine Differenz erfordert ein Differenzial).
Es werden die Auswirkungen offener und Sperdifferenziale erläutert und der Einfluss des Sperrwertes S auf die Zugkräfte am langsamsten und schnellsten drehenden Rad berechnet und bewertet. Ebenso wird die Funktion eines Differenzials anhand von während eines Rennens aufgezeichneten Daten diskutiert. Schließlich wird noch auf die Differenzialwirkung bei elektrischen Einzelradantrieben eingegangen.
Ralph Pütz, Ton Serné

8. Aerodynamik Aerodynamics

Zusammenfassung
Die Anwendung und kontinuierliche Weiterentwicklung aerodynamischer Maßnahmen an Rennwagen hat während der vergangenen fünfzig Jahre eine entscheidende Rolle gespielt, um die Rundenzeiten signifikant zu verbessern. So nimmt heute die Aerodynamikoptimierung eine Schlüsselrolle ein, der sich nahezu alle Baugruppen eines Rennwagens unterordnen müssen.
Hauptziel ist dabei die Erhöhung der Radlasten auf den Reifen durch Abtrieb („Downforce“), um höhere Kurvengeschwindigkeiten zu erreichen. Dies führt jedoch umgekehrt zum Negativeffekt eines höheren Luftwiderstands („Drag“), der die Maximalgeschwindigkeit und das Beschleunigungsvermögen reduziert. Aus diesem Grund müssen alle aerodynamischen Maßnahmen zu einem Kompromiss als Optimum führen, der als „aerodynamischer Kompromiss“ bezeichnet wird. Dieser Kompromiss zwischen Anpressdruck und Luftwiderstand ist für jede Rennstrecke individuell zu ermitteln.
Die Basis bilden strömungstechnische Grundlagen wie Kontinuitätsgleichung (Massenerhalt) und Bernoulli-Gleichung (Energieerhalt) mit den daraus folgenden Größen wie statischer und dynamischer Druck und Reynoldszahl, welche laminare und turbulente Strömungen abgrenzt. Die Charakteristika von Flügelprofilen, inklusive Gurney-Flaps, Winglets und Flügelanzahl, werden vorgestellt, ebenso die Applikation von Turbolatoren, Splittern und Diffusoren sowie des Golfball-Effektes. Ebenso werden Abtrieb und Luftwiderstand aus aufgezeichneten Renndaten bewertet.
Ralph Pütz, Ton Serné

9. Testfahrten Test Drives

Zusammenfassung
Wieso sind Testfahrten überhaupt erforderlich, da doch alles in der Theorie erfasst und vorausberechnet werden kann? Dies ist die grundsätzliche Frage, die immer wieder gestellt wird, und die wie folgt beantwortet werden kann:
Erstens spielt der Faktor Mensch hinter dem Lenkrad, der Rennfahrer eine entscheidende Rolle. Zweitens beeinflussen die Reifen und Aerodynamik die Rundenzeiten hochsignifikant, weit vor der Motorleistung. Es sind jedoch noch immer keine Rechenmodelle verfügbar, die die Reifen und Aerodynamik zu 100% genau berechnen können, daher müssen immer Tests zur Verifikation durchgeführt werden. ’Tracktime ist teuer’, deshalb soll die Zeit auf der Strecke optimal genutzt werden. Dieses Kapitel beschreibt, wie Teams ihre Tests auf der Rennstrecke optimal durchführen können. Mehrere Arten von Tests werden beschrieben, z.B. für die Dämpfer, den Gewichtstransfer, die Lastverteilung, den Rollwiderstand, die Aerodynamik und Reifen. Nicht nur Tests für professionell ausgestattete Teams, sondern auch für die ambitionierten Teams in Amateurbereich werden erläutert.
Ralph Pütz, Ton Serné

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