Im dritten Teil der Artikelserie beschäftigt sich die SCI-Technikschule mit dem wichtigsten Teil, dem eigentlichen Auto. Ausschlaggebend sind hier vor allem das Chassis an sich, also die kraftbeanspruchten Teile der Karoserie, sowie das Fahrwerk. Vor allem Letzteres spielt in manchen Rennen eine entscheidende Rolle.
Eines muss jedem klar sein. Chassis und Fahrwerk spielen im Straßenverkehr, ebenso wie im Rennsport, eine entscheidende Rolle. Zwar sind auch die Aerodynamik und der Motor sehr wichtiger Bedeutung, wenn aber die mechanische Basis des Fahrzeugs schon schlecht ist, kann der Motor noch so viel Leistung aufbringen. Selbst die Aerodynamik hilft nur eingeschränkt.
Dabei sind zuerst einmal grundlegend zwei Baugruppen wichtig. Das Fahrwerk, welches die Aufgabe hat die Räder möglichst gut entlang der Fahrbahnoberfläche zu führen, um maximale Kräfte übertragen zu können und das Chassis, das die vier Ecken am Ende verbindet.
Die Grundlagen
Zunächst einmal müssen nun zwei Fälle unterschieden werden. Das ist zum einen die Längsdynamik, also das Beschleunigen und Bremsen des Fahrzeugs und zum anderen die Querdynamik, also die Kurvenfahrt. Beide haben nämlich zum Teil unterschiedliche Anforderungen an das Fahrwerk.
Beim Beschleunigen ist das Ziel, die Antriebskraft des Motors möglichst ideal auf die Straße zu bringen. Da der Fahrzeugschwerpunkt meist oberhalb der Reifenmitte liegt, führt dies dazu, dass das Fahrzeug durch die Trägheitskraft zunächst einmal mehr Kraft auf die Hinterräder bringt. Dort federt das Auto, abhängig von der Fahrwerksgeometrie, ein.
Beim Bremsen hingegen verlagert sich die Kraft mehr in Richtung Vorderräder. Bei einem zu hohen Schwerpunkt wird das Heck enorm leicht und kann das Fahrzeug kaum noch stabilisieren. Auch hierbei kommt es abhängig von der Fahrwerksgeometrie zu einem Einfedern der Vorderachse.
Bei Kurvenfahrt hingegen wirkt aufgrund der Fliehkraft mehr Kraft auf den kurvenäußeren Rädern, was wiederum zu deren Einfedern führen kann. In dieser Phase müssen die Reifen die komplette Seitenführungskraft übertragen können.
Der Radsturz
Im Zusammenhang mit den Einstellmöglichkeiten des Fahrwerks spielen vor allem Spur und Sturz eine entscheidende Rolle. Wichtig ist aber, dass diese Einstellungen nicht konstant sein müssen, sondern sich in der Regel durch dynamische Einflüsse ändern können, was unter Umständen genutzt werden kann um in bestimmten Situationen anders reagieren zu können.
Unter Sturz versteht man, wie die Räder zur vertikalen Ebene durch die Fahrzeuglängsachse ausgerichtet sind. Ist die Oberseite der Räder näher an der Fahrzeugmitte als die Unterseite spricht man von negativem Sturz, im anderen Fall von positivem Sturz. Anders als die Benennung suggeriert, ist normalerweise eher negativer Sturz gewünscht. Der Grund ist, dass in Kurven die äußeren Räder stärker belastet werden und der negative Sturz dann, wie bei einem Motorrad die Schräglage, zusätzliche Seitenkräfte aufbaut.
Hierbei gilt es aber Maß zu halten, da ab einer gewissen Sturzeinstellung die Reifen nicht mehr weich genug Federn können und sich die Aufstandsfläche verringert, was wiederum die durch Reibung erzeugten Seitenführungskräfte verringert. Bei den Walzen die auf moderne LMP aufgezogen werden, kann man sich dies durchaus vorstellen. Auch der Reifenverschleiß nimmt bei einer stärkeren Sturzeinstellung zu.
Die Radspur
Unter Spur versteht man den Winkel, den die Räder von oben gesehen zur Fahrzeugmittelebene bilden. Steht das Rad vorne näher an der Fahrzeugmittelebene als hinten spricht man von Vorspur; im anderen Fall von Nachspur.
In der Regel stellt man an der nicht angetriebenen Achse eine leichte Vorspur ein, da durch elastische Verformungen des Materials dann während der Fahrt die Räder in die gerade Richtung gedrückt werden. An der angetriebenen Achse hingegen fährt man gerne mit ein wenig Nachspur, weil die Räder dann von den Antriebskräften in die gerade Richtung gedrückt werden.
Auch das Einlenken wird über die Spureinstellungen zu einem guten Teil mit beeinflusst. In dieser Situation zeigt sich ein weiterer Vorteil des Heckantriebskonzeptes, da bei der oben beschriebenen Konfiguration das Einlenken in die Kurve unterstützt wird.
Eine zu aggressive Spureinstellung führt aber auch wieder zu erhöhtem Reifenverschleiß und auch zu übermäßigem Kraftstoffverbrauch, da die Reifen ja quasi das Fahrzeug Bremsen. Es kann aber für kurze Rennen durchaus eine Option sein mit aggressiver Spur zu fahren, nämlich immer dann, wenn man sonst Probleme hat die Reifen auf Arbeitstemperatur zu bringen.
Dynamische Einflüsse
Allerdings sind Spur und Sturz auch nicht konstant, sondern ändern sich in Abhängigkeit von der Fahrwerksgeometrie und Fahrsituation. Hierbei wird in der Regel angestrebt, dass sich der Radsturz beim Einfedern in negative Richtung bewegt, um die Wankbewegung des Fahrzeugs bei Kurvenfahrt auszugleichen beziehugnsweise sogar überzukompensieren. Letzten Endes interessiert ja immer nur der Winkel zur Straße.
Bei der Spur versuchen die Techniker in der Regel auch, dass die Vorderräder beim Einfedern (Bremsen) mehr Vorspur bekommen um die Bremsen zu unterstützen. An der Hinterachse hingegen sucht man oft nach Möglichkeiten die Spur einigermaßen konstant zu halten, da wenn sich die Nachspur beim Ausfedern verstärken würde das Fahrzeug eher unruhig und schwieriger zu beherrschen wird. Verstärkt sich die Nachspur aber beim Einfedern (Beschleunigen) ist das Fahrzeug am Kurvenausgang schwer zu beherrschen und der Reifenverschleiß sowie die Belastung für Fahrwerkskomponenten nehmen zu.
Federn, Dämpfer und Stabilisatoren
Federn, Dämpfer und Stabilisatoren stellen die nächste Möglichkeit der Einflussnahme dar und werden auch zum Setup des Fahrzeugs auf jeder Strecke eingesetzt. Aufgabe der Federn ist es, jedem Rad eine gewisse Bewegungsfreiheit zu geben, wobei der Einfederweg von der auf das Rad wirkenden Kraft abhängt. Wenn eine Feder aber aufgezogen oder zusammengedrückt wird, wird sie sich irgendwann wieder entspannen. Dies würde zum unerwünschten Aufschaukeln des Fahrzeugs führen und wird durch die Dämpfer unterbunden.
Eine andere Aufgabe haben hingegen die Stabilisatoren. Während Federbewegungen bei überfahrenen Bodenwellen und Schlaglöchern meist sogar erwünscht sind, versucht man eine negative Seitenneigung des Fahrzeugs bei Kurvenfahrt eher zu vermeiden. Die Stabilisatoren verbinden nun die beiden Räder im Falle des einseitigen Einfederns, wie es bei Kurvenfahrt zu erwarten wäre und halten das Fahrzeug flach.
Die Radbewegung
Betrachten wir nun das Einfedern eines Rades einmal genauer, wobei wir den Stabilisator vorerst nur als zusätzliche Feder sehen. Fährt der Fahrer zum Beipsiel über einen Kerb, wird das Rad nach oben gedrückt, Feder und Stabilisator verspannen sich. Gleichzeitig wird im Dämpfer ein Kolben bewegt und ein Ölfluss durch im Kolbenboden eingelassene Ventile bremst bereits hier die Bewegung. Hat das Rad seinen höchsten Punkt erreicht dreht sich die Bewegungsrichtung um, Feder und Stabilisator entspannen sich. Im Dämpfer wirken nun andere Ventile um diese Bewegung ebenfalls zu Dämpfen.
Die Dämpfer sind notwendig, da ja auch das (verglichen mit dem Chassis) ungefederte Rad eine Masse besitzt. Während des durch den Kerb erzwungenen Einfedervorgangs hat das Rad eine Geschwindigkeit nach oben. Aufgrund der Massenträgheit würde es nun wenn das Rad die Oberkannte des Kerbs erreicht hat noch ein wenig Dauern, bis die Federkraft die Aufwärtsbewegung gebremst hat. Das Rad hätte keinen Bodenkontakt. Umgekehrt wird das Rad beim wieder Ausfedern solange beschleunigt, bis es wieder den Boden berührt. Da aber auch diese Geschwindigkeit nun gebremst werden muss würde das Fahrzeug angehoben. Ohne Reibung und Dämpfung würde diese Bewegung endlos weitergehen und sich bei zusätzlichen Anregungen (dem nächsten Kerb, einer Bodenwelle et cetera) immer weiter aufschaukeln bis zur Zerstörung der Radaufhängung.
Der Dämpfer im Detail
Aufgabe des Dämpfers ist es nun, diese Bewegungen schon früh zu dämpfen, um ein Abheben des Rades vom Boden sowie ein übermäßiges Aufdrücken des Aufbaus zu verhindern. Der Dämpfer wirkt beim Einfedern wie auch die Federn der Bewegung entgegen, was dazu führt, dass der Fahrzeugaufbau an dieser Ecke etwas angehoben wird. Ist nun die Oberkannte des Kerbs überfahren fällt diese Fahrzeugecke wieder nach unten zurück. idealerweise, ohne dass das Rad an Bodenhaftung verliert, und die in den Federn gespeicherte Energie drückt den Aufbau wieder in seine Ausgangsposition zum Rad. Nun wirkt die Dämpferkraft der Federkraft entgegen um ein weiteres Überschwingen über die Sollposition hinaus zu verhindern.
Man kann sich nun vorstellen, dass unterschiedlich harte Bodenwellen oder Kerbs unterschiedliche Dämpfung verlangen, um den Aufbau so ruhig wie möglich zu halten. Dies ist zum einen aus Komfortgründen für den Fahrer als auch aus wegen der Aerodynamik wichtig. Eine weiche Dämpfung würde dabei zwar bedeuten, dass der Aufbau sich bei den Federbewegungen weniger bewegt, allerdings werden dabei mehr Nachschwingungen möglich, die das Fahrzeug unruhig werden lassen. Bei zu viel Dämpfung kann es aber passieren, dass der Aufbau sehr lange braucht, um wieder in die Ausgangsposition zurückzukommen. Anders als im Serienfahrzeugbau sind aktive Radaufhängungselemente im Motorsport weitestgehend verboten. Trotzdem gibt es vor allem im Bereich der Dämpfer einige interessante Technologien.
Moderne Dämpfer können sowohl abhängig vom Einfederweg als auch von der Einfedergeschwindigkeit abhängig eine andere Dämpfungscharakteristik aufweisen. Darüber hinaus weisen sie in der Regel beim Ausfedern deutlich mehr Dämpfung auf als beim Einfedern. Dies bedeutet aber für die Ingenieure auch viel mehr Stellschrauben, um das Fahrverhalten in bestimmten Punkten zu beeinflussen. Immer mit dem Ziel, die bestmögliche Rundenzeit zu erreichen.
Der Stabilisator im Detail
Aufgabe des Stabilisators ist es eine übermäßige Wankbewegung des Fahrzeugs bei Kurvenfahrt zu unterdrücken. Da der Schwerpunkt eines Fahrzeugs oberhalb des Bodens liegt, wird bei Kurvenfahrt immer ein Moment um die Längsachse des Fahrzeugs bestehen, der Aufbau kippt zur kurvenäußeren Seite, die äußeren Räder bekommen mehr Kraft. Meist ist es jedoch nicht zweckmäßig, die Federung so steif zu machen, dass diese den Aufbau dabei alleine abstützen kann. Dies hätte nämlich auch den Nachteil, dass Bodenwellen oder Ähnliches nicht mehr vernünftig ausgeglichen würden. Stattdessen bedient man sich eines Stabilisators, der bei gleichmäßigem Einfedern beider Räder einer Achse die Bewegung nicht behindert, bei einseitigem Einfedern (Schlagloch, Kerb) oder wenn ein Rad einfedern will und das andere ausfedern (Kurvenfahrt) als zusätzliche Feder wirkt.
Dies führ also dazu, dass das Rad, welches eigentlich ausfedern will, nun bis zu einem gewissen Grad gezwungen wird mit einzufedern beziehungsweise weniger stark auszufedern. Das Fahrzeug „fällt“ aber, da ja das Moment um die Längsachse sich dadurch nicht ändert auf die innere Seite auf die Räder. Es wird also Kraft vom einen auf das andere Rad übertragen.
In der Praxis wird man versuchen, die Stabilisatoren möglichst weich auszulegen, um vor allem das Verhalten des Fahrzeugs bei der Fahrt über Kerbs zu verbessern. Stellschrauben sind hier vor allem die Höhe des Schwerpunkts und eine geschickt gewählte Fahrwerksgeometrie.
Querlenker, Mehrlenker, McPherson
Bislang haben wir uns damit beschäftigt, welche Elemente dem Rad eine Bewegung erlauben. Nun wollen wir aber die Elemente beleuchten, welche dem Rad eine bestimmte Bewegung aufzwingen. Wie schon im ersten Abschnitt beschrieben, ist das Ziel in der Regel, dass ein Rad beim Einfedern mehr negativen Sturz und wenn überhaupt dann lieber zusätzliche Vorspur bekommt. Außerdem will man auch die Nick- und Wankbewegungen des Fahrzeugs unterdrücken.
Das Aufhängungskonzept, welches hierbei die größten Freiheiten bietet ist die klassische Doppelquerlenker-Aufhängung. Hierbei hat man in der Regel pro Rad einen oberen und einen unteren Querlenker, welcher das Rad führt. Um auch die Längskräfte gut übertragen zu können, sind diese in der Regel als Dreiecke ausgeführt. Der Vorteil ist, dass man diese nun ein wenig nach vorne beziehungsweise hinten Neigen kann, um auch Teile der beim Beschleunigen und Bremsen entstehenden Nickmomente abzustützen. Da die Querlenker wesentlich steifer sind als die Federn, wird das Fahrzeug weniger Nicken. Die Verlagerung der Kraft zwischen den Achsen und damit die Belastung des Reifens bleibt jedoch gleich.
Auch das Wankverhalten kann beeinflusst werden. Hierzu werden die Querlenker nicht parallel zueinander angeordnet, sondern unter einem Winkel. Da die Querlenker nun unterschiedlich lang sind, wird dem Rad zum einen eine Sturzänderung beim Einfedern aufgezwungen, zum anderen befindet sich das Rollzentrum des Fahrzeugs nun nicht mehr auf dem Boden, sondern kann darüber oder darunter liegen. Die Stärke der Wankbewegung hängt jedoch auch vom Abstand des Rollzentrums vom Schwerpunkt ab. Je kleiner dieser Abstand ist, desto mehr werden die Seitenkräfte durch die Querlenker abgestützt und desto weniger neigt das Fahrzeug zum wanken. Allerdings widerspricht dies meist dem Ziel, den Radsturz beim Einfedern in negative Richtung zu schieben.
Da bei der Doppelquerlenker-Aufhängung das Rad in der Regel nur an zwei Kugelgelenken geführt ist, muss es zusätzlich noch mit einer Spurstange gerade gehalten werden beziehugnsweise im Falle der Vorderachse soll hier die Radposition kontrolliert werden.
Um dieses Extrateil einzusparen, ist man an der Hinterachse teilweise dazu übergegangen wenigstens einen der Querlenker aufzuteilen in einzelne Streben, was es erlaubt die Spurstange einzusparen. In solchen Fällen spricht man auch von einer Mehrlenker-Hinterachse.
Im Rennsport eher ein Exot ist die McPherson-Achse, wie wir sie in den meisten PKW finden. Hier übernimmt das Federbein gleichzeitig die Aufgabe des oberen Querlenkers, der dann relativ Steil zum Querlenker steht.
Pushrod versus Pullrod
Bei Doppelquer- oder Mehrlenker-Konstruktionen kann das Federbein entweder direkt zwischen Radträger und Chassis befestigt sein. In der Regel liegen die Dämpfer und Federn allerdings im inneren des Fahrzeugs und werden entweder über Pull- oder Pushrods angesteuert. Der Vorteil ist, dass hier noch einmal eine Übersetzung auftritt und so die Radbewegungen aus Sicht des Dämpfers verstärkt oder verringert werden.
Bei einer Pushrod-Konstruktion liegen die Federn und Dämpfer oben und eine Stange drückt auf den Dämpfer. Nachteil dabei ist, dass die relativ schweren Dämpfer oben liegen und aufgrund der Knickgefahr die Schubstrebe relativ groß dimensioniert werden muss. Dafür sind Setupwechsel selbst während eines Rennens recht einfach möglich, da die Dämpfer gut zugänglich sind.
Bei Pullrod-Konstruktionen zieht eine Zugstrebe über einen Hebel am Federbein, welches unten liegt. Dies senkt den Schwerpunkt und da die Strebe fast rein auf Zug belastet wird, kann sie dünner dimensioniert werden, was wiederum Gewicht spart. Nachteil ist aber, dass die Dämpfer dann ziemlich verbaut sind und unter Umständen der Platz für aerodynamische Elemente benötigt wird.
Einfluss des Chassis
Das Chassis hat ebenfalls einen gewissen Einfluss auf das Fahrverhalten. So gibt es nämlich die Möglichkeit, dass man ein front- oder hecklastiges Fahrzeug mit Absicht auf einer Achse zu weich federt beziehungsweise den Stabilisator weicher auslegt, um auf der anderen Achse einen härteren Stabilisator zu verwenden. In der Folge kann das Fahrzeug bei Kurvenfahrt auf der einen Achse weniger weit Wanken, als auf der anderen. Da allerdings die auftretenden Seitenkräfte sich schließlich nicht ändern, wird nun über das Chassis Kraft, die eigentlich auf der weicheren Achse läge, auf die härtere Achse übertragen. Dabei wird sich das Chassis bis zu einem gewissen Grad verwinden, es wirkt also selber als Feder.
Angestrebt wird natürlich immer, das Chassis so steif wie möglich zu machen, damit die Fahrwerksgeometrie optimal genutzt werden kann. Allerdings widerspricht das dem Ziel, ein Fahrzeug möglichst leicht zu konstruieren.
Generell gibt es zwei Hauptvarianten, um ein Chassis zu konstruieren. Die bei Prototypen am häufigsten verwendete Variante ist die Monocoquebauart. Hierbei bildet die Außenhaut zumindest eines Teils der Verkleidung. Das Chassis kommt ohne eingebaute zusätzliche Elemente aus. Zur Konstruktion werden in der Regel CFK-Laminate mit dazwischen gelegten Aluminiumwaben verwendet. Außerdem wird der Motor und das Getriebe meist als selbtstragendes Element verbaut, was den Austausch derselben erleichtert. Der große Vorteil bei diesem Konzept ist, dass Rahmen und Verkleidung dasselbe sind und deshalb Gewicht gespart werden kann. Außerdem besteht eine relative Freiheit, die Fahrwerksanbindungspunkte anzubringen und Monocoques sind sehr steif.
Die andere übliche Bauvariante ist der Gitterrohrrahmen, wie er nur noch bei den Daytona-Prototypen verwendet wird. Bei dieser Variante muss extra eine Verkleidung hergestellt werden. Dafür ist es einfacher, das Aussehen des Fahrzeugs zu ändern. Außerdem ist es einfacher Unfallschäden zu finden und zu beheben. Gitterrohrrahmen sind in der Regel schwerer und weniger steif als Monocoques. Außerdem muss die Rahmenkonstruktion auf das Fahrwerk abgestimmt werden, da aus Belastungssicht die Anbindungspunkte immer an Kreuzungspunkten der Rohre liegen sollte.
Bei GT-Fahrzeugen findet man oft eine Mischform, bei der der monocoqueartige metallene Rahmen des Straßenfahrzeugs mit einem Überrollkäfig verstärkt wird, der ähnlich einem Gitterrohrrahmen aufgebaut ist. Bei dieser Ausführung übernehmen dann, wie bei einem Monocoque, Teile der Karoserie (Dach, Boden, A-, B- und C-Säule) Teile der Kräfte, während der Rest vom Überrollkäfig wie von einem Gitterrohrrahmen übernommen wird.
