Rennwagentechnik - Praxislehrgang Fahrdynamik

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. 1. Vermessung des Setups Measurement of Setup

   Ralph Pütz, Ton Serné

   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.

3. 2. Einleitung und Definitionen Introduction and Definitions

   Ralph Pütz, Ton Serné

   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.

4. 3. Reifen Tires

   Ralph Pütz, Ton Serné

   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.

5. 4. Schwingungsdämpfer Dampers/Shock Absorbers

   Ralph Pütz, Ton Serné

   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.

6. 5. Geometrie Geometry

   Ralph Pütz, Ton Serné

   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. 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.

7. 6. Federung Springs

   Ralph Pütz, Ton Serné

   Zusammenfassung

   Beschrieben wird die Notwendigkeit, warum ein Fahrwerk mit Federung ausgestattet wird, und wie die Federn berechnet werden können. Schraubenfedern, Torsionsfedern und Blattfedern werden beschrieben. Die Rolle der „Motion Ratio“wird aufgezeigt, und wie man diese in Praxi vermessen kann. Der Rollwiderstand und Nickwiderstand durch die Federn wird ebenso behandelt wie das Ausweigen des Autos.

8. 7. Differenziale (Ausgleichsgetriebe) Differentials

   Ralph Pütz, Ton Serné

   Zusammenfassung

   Differenziale sind ein essenzielles, 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.

9. 8. Aerodynamik Aerodynamics

   Ralph Pütz, Ton Serne

   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.

10. 9. Testfahrten Test Drives

    Ralph Pütz, Ton Serné

    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 in diesem Kapitel beantwortet wird. 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. Nicht nur Tests für professionell ausgestattete Teams, sondern auch für die ambitionierten Teams in Amateurbereich werden erläutert.

11. 10. Simulation der Fahrdynamik

    Ralph Pütz, Ton Serné

    Zusammenfassung

    In Kap. 1 wurde die effiziente Durchführung von Testfahrten beschrieben, die jedoch immer einer gründlichen Vorbereitung bedarf, um keine teure „Track Time“ zu vergeuden. Zur Vorbereitung der Testfahrten mit dem Ziel der Identifikation eines zielführenden Fahrzeug-Setups für die jeweilige Rennstrecke eignen sich insbesondere auch kommerzielle, fahrdynamische Simulationsprogramme. Diese ermöglichen es, komplexe Fahrzeugsysteme zu modellieren und Einflüsse von Einstellungsänderungen auf das Fahrzeug-Setup durch Parametervariationen vorab zu analysieren und damit den Testaufwand signifikant zu minimieren.

12. Backmatter