Aerodynamik: Entscheidende Millimeterarbeit

Von Petra Wiesmayer
Formel 1
Sebastian Vettels RBR-Renner bleibt mur Dank der Flügel auf dem Boden

Sebastian Vettels RBR-Renner bleibt mur Dank der Flügel auf dem Boden

Die Aerodynamik spielt in der modernen Formel 1 eine größere Rolle als vielen lieb ist. SPEEDWEEK gibt einen kleinen Einblick in dieses Thema.

Früher war die Aerodynamik eines Rennautos lediglich darauf begrenzt, dem Fahrtwind möglichst wenig Angriffsfläche zu bieten und die Autos so schnell wie möglich zu machen. Inzwischen ist die Erforschung der Fahrzeug-Aerodynamik zu einer eigenen Wissenschaft, und das aerodynamische Design seit über 40 Jahren zum wichtigsten Punkt bei der Konzeption eines Rennwagens geworden, denn 750 PS nützen gar nichts, wenn man sie nicht effektiv auf den Boden bringen.

Was ist Aerodynamik genau?

Wenn man von der Aerodynamik eines Autos spricht, meint man damit unter anderem den sogenannten cw-Wert (Luftwiderstand), der bei Formel1-Autos im Vergleich zu normalen Straßenautos absolut indiskutabel ist, denn allein die freistehenden Räder arbeiten jeder Windschlüpfrigkeit entgegen. Ein Straßenauto hat einen cw-Wert zwischen 0,3 und 0,4, ein Formel 1 dagegen zwischen 0,75 und 1,0. Jede Angriffsfläche, die ein Auto der Luft bietet, bremst es und, wie wir alle wissen, gewinnt man durch Bremsen keine Rennen. So muss man eben versuchen, einen Rennwagen trotz aller Mängel in diesem Bereich so zu gestalten, dass er der Luft so wenig Angriffsfläche wie möglich bietet, und alle Teile an einem Monoposto so stromlinienförmig wie möglich konzipieren.

«Dreckige» Luft = langsame Luft

Die Karosserie eines Formel-1-Monoposto verhält sich im Grunde wie ein Flügel. Würde man die Antriebskraft nicht ins Negative, d.h. Richtung Boden, umkehren, würden Vettel und Co. ab einer gewissen Geschwindigkeit wie ein Flugzeug abheben. Daher ist ein Monoposto nur so gut, wie es einem gelingt, die Antriebskraft dazu zu benutzen, es «auf den Boden zu kleben». Das Wort um das sich im Rennsport alles dreht, heißt deshalb Abtrieb, «Downforce», und die entsteht, ganz simpel ausgedrückt, durch Luft. Die Kombination aus dem Fahrtwind, der auf das Auto drückt, und der Luft, die unter dem Auto hindurchströmt. Die Autos werden nun so konstruiert, dass die Luftströme so unter dem Wagenboden durchgeleitet werden, dass ein Unterdruck, beinahe schon ein Vakuum entsteht, der das Auto auf den Boden drückt.

Um diesen Effekt zu erzielen, ist es aber erst einmal wichtig, wie die Luft auf der Front des Autos auftrifft, denn es entscheidet sich hier, wie sie auf den Rest, über und unter das Auto, weitergeleitet wird. Als erstes trifft die Luft klarerweise auf die freistehenden Vorderräder, die dadurch, dass sie sich sehr schnell drehen, selbst sowohl Widerstand als auch Auftrieb und Turbulenzen verursachen und den gesamten Luftstrom auf den Rest des Autos beeinflussen. Die Seitenkästen, die Luftleitbleche, Motorabdeckung, Lufthutze etc. werden so konzipiert, dass die Luft möglichst ungehindert darüber hinweg strömen kann. Denn nicht nur im Rennen selbst, auch bei der Luft ist Geschwindigkeit das Zauberwort.

Die «dreckige» Luft, die Turbulenzen, haben Luftgeschwindigkeit verloren. Der Abtrieb, den ein Auto produziert, ist wissenschaftlich ausgedrückt, eine Funktion der Luftgeschwindigkeit im Quadrat. Wenn die Luft also 200 km/h schnell ist, produziert sie viermal soviel Abtrieb wie bei 100 km/h. Nun ist auch klar, dass ein Fahrer, wenn er hinter einem andern her fährt und dessen «dreckige», d.h. langsame Luft aufs Auto bekommt, immens an Abtrieb auf der Vorderachse verliert oder in langsamen Passagen und Kurven mit einem völlig unterschiedlichen Fahrverhalten seines Autos zurecht kommen muss als auf schnellen Geraden.

In diesem Zusammenhang spielen auch die Endbleche am Frontflügel, so klein und unscheinbar sie zu sein scheinen, eine entscheidende Rolle, die Luft so zu leiten, dass eine größtmögliche aerodynamische Effizienz erreicht wird. Mitunter spielen da schon wenige Millimeter eine große Rolle, in welchem Winkel diese kleinen unscheinbaren Dinger angebracht werden. Auch am Heck, wo Diffusoren die Luftströme inklusive der Auspuffgase in die gewünschte Richtung leiten, ist der Unterboden so konstruiert, dass genügend Unterdruck entsteht.

Genaue Informationen über den Spitzenabtrieb ihrer Autos rücken die Ingenieure natürlich nicht raus. Diese Informationen gehören mit zu den bestgehütesten Geheimnissen der Formel 1, aber bei einer Geschwindigkeit zwischen 160 und 180 km/h ist die Abtriebskraft eines Formel-1-Renners so groß, dass das Eigengewicht des Autos praktisch aufgehoben wird. Konkret gesagt heißt das, das die Erdanziehung ihre Wirkung verlieren würde und das Auto an der Decke hängend fahren könnte.

Bodenabstand

Ein weiterer wichtiger Punkt ist in diesem Zusammenhang auch der Bodenabstand des Autos, der möglichst konstant gehalten werden muss um den Vakuumeffekt nicht zu verlieren. Auf den Geraden bringt der Abtrieb das Auto dazu, «in die Knie zu gehen», d.h. die ursprüngliche Fahrzeughöhe von ca. 50 Millimeter auf die Hälfte zu reduzieren. Dieser Abtrieb muss vor einem Rennen genau berechnet werden, damit das Fahrzeug nicht aufsetzt und dadurch aus der Kontrolle gerät. Um dieses Problem zu beheben, entwickelte Williams seine ehemals berühmte aktive Radaufhängung, deren elektronische Steuerung den Abstand des Fahrzeugs zum Boden immer konstant halten und somit überall eine möglichst optimale aerodynamische Situation sicherstellen sollte.

Auch die Federung spielt in diesem Zusammenhang eine entscheidende Rolle, da jede Veränderung der Bodenhöhe auch eine Veränderung im Fahrverhalten mit sich zieht. Ebenso das Getriebe. Würde die gesamte Kraft der 750-PS-Motoren bereits im ersten Gang freigesetzt, wenn das Auto noch zu wenig Abtrieb auf der Hinterachse hat, würde das allenfalls die Reifen zum Durchdrehen bringen. Getriebe werden daher so ausgelegt, dass die maximale Motorkraft erst bei höheren Geschwindigkeiten und dadurch bei höherem Abtrieb am Heck freigesetzt wird. Hier kommen nun auch die Flügel ins Spiel.

Je größer der Flügel, desto größer der Luftwiderstand

Ein Flügel an einem Rennwagen hat das umgekehrte Prinzip der Tragflächen von Flugzeugen, das ja Auftrieb erzeugen muss. Der Rennwagen muss so fest wie möglich auf den Boden gepresst werden und diesen Abtrieb erreicht man durch das richtige Design von Chassis, Flügeln, Diffusor und Luftleitblechen, möglichst aber, ohne dabei gleichzeitig den Luftwiderstand zu erhöhen, der die gewonnene Geschwindigkeit in den Kurven auf den Geraden wieder verringert.

Abtrieb verursacht nämlich auch den meisten Widerstand, denn je steiler und größer der Flügel ist, desto mehr Luftwiderstand bietet er. Darüber hinaus zieht ein höherer Luftwiderstand natürlich auch einen höheren Benzinverbrauch nach sich. Sicher, in der Formel 1 ist der Benzinverbrauch eines der geringeren Probleme, betrachtet man jedoch die Wichtigkeit, dass die Autos mit nur einer Tankladung eine gesamte Renndistanz absolvieren müssen und die Tatsache, dass ein Liter Treibstoff 0,73 Kilogramm wiegt, machen 10 Liter mehr je nach Strecke das Auto schon mal bis zu einer halben Sekunde pro Runde langsamer.

Bei der aerodynamischen Abstimmung ist es eine heikle Sache, den Druck zwischen Front- und Heckflügel richtig aufzuteilen, so dass man je nach Situation und Strecke möglichst viel Gewicht auf den Achsen hat, das nicht extra abgebremst werden muss und beim Herausbeschleunigen aus Kurven kein Tempo kostet. Verringert sich die Geschwindigkeit, verringert sich folglich auch der Druck und somit das Gewicht, das auf den Flügeln lastet. Eine höhere Belastung des Heckflügels verbessert zudem die Traktion der Antriebsachse und das Auto lässt sich leichter fahren.

Je nach Strecke kann das Verhältnis zwischen Front- und Heckflügel aber auch anders aufgeteilt werden, indem man die Last auf der Front erhöht, im Fachjargon «Frontlastverteilung» genannt. In erster Linie richtet man sich bei der aerodynamischen Abstimmung eines Autos übrigens nach den Kurven einer Strecke, weniger nach den Geraden. Es sind die langgezogenen Kurven, die die Balance eines Autos ausmachen. Wenn dort etwas falsch ist am Auto, dann verliert man ungleich mehr Zeit, als wenn im Hochgeschwindigkeitsbereich etwas nicht ganz passt

Flügelexperimente

Die besten Demonstrationen, was passiert, wenn der Abtrieb durch Flügel und Vakuum plötzlich verloren geht, boten schon einige Fahrer, als sich ihr Heckflügel unvermittelt verabschiedete. Das Auto hatte hinten keinerlei Anpressdruck mehr, verlor den Idealabstand zum Boden, wodurch der Vakuumeffekt verloren ging, und das Auto kreiselte unkontrollierbar über die Piste. Geht der Frontflügel verloren, ist der Effekt ähnlich und der Pilot wird ebenfalls zum Spielball der Kräfte.

Ohne Abtrieb auf der Vorderachse kann er sein Auto weder lenken noch vernünftig abbremsen, da auch die Bremsbalance im allgemeinen hauptsächlich auf die Vorderachse ausgelegt ist. Der Druck, der auf dem Heckflügel lastet, bis zu einer Tonne Gewicht werden hier freigesetzt, hilft in so einem Fall auch nicht mehr und macht den Verlust der Haftung vorne eher noch schlimmer. Da der Heckflügel hinter der Hinterachse sitzt, wirkt er als Hebel auf das Gesamtfahrzeug. Fehlt der vordere Flügel, wird durch die Hebelkraft der Vorderwagen angehoben.

Ohne Windkanal kein Auto

Die Leistung eines Formel-1-Renners kommt zu 40% von der Aerodynamik, der Rest vom Fahrwerk, vom Motor und vom Getriebe. Der Abtrieb, die «Downforce» verteilt sich in etwa zu 30% auf den Front-, 30% auf den Heckflügel und 30% auf den Unterboden. Bedenkt man nun angesichts dieser Zahlen, dass der Löwenanteil der Gesamtleistung auf die Aerodynamik entfällt, kann man sich vorstellen, wie wichtig dieser Bereich bei der Konzeption und Abstimmung eines Rennwagen ist.

Aufgrund der eingeschränkten Testtage, die ein Team vor der Saison zur Verfügung hat, müssen die wichtigsten Entscheidungen, wie das Auto aussehen soll, getroffen werden, bevor man zum ersten mal auf die Strecke geht. Im Windkanal wird dann also an Modellen getestet, was am besten funktioniert. Diese Windkanalwerte, Abtrieb und Widerstand, werden in Punkten gemessen. Es gilt, eine möglichst hohe Punktzahl an Abtrieb zu erreichen, ohne ihn gleichzeitig durch eine zu hohe Zahl an Widerstandspunkten zunichte zu machen.

Hört sich viel einfacher an, als es ist. Oft ist bei den Ingenieuren ein gutes Maß an Intuition gefragt, da, wie bereits am Beginn erläutert, vom logischen und physikalische Standpunkt aus, bei weitem nicht aller erklärt werden kann. Im Klartext heißt das, die Bedingungen jeder einzelnen Rennstrecke werden in den Computer eingegeben und je nach den hier gewonnenen Erkenntnissen dann die entsprechenden Teile ausgewählt

Davon abgesehen, dass nicht alles im wirklichen Leben funktionieren muss, was im Computer ideal erscheint, beinhaltet jede Strecke ihre eigene Crux. Fährt man beispielsweise in Monza mit wenig Flügel um auf den langen Geraden Höchstgeschwindigkeit zu erreichen, fehlt einem der Abtrieb beim Anbremsen in die langsamen Kurven. Viel Flügel heißt dagegen etwas weniger Höchstgeschwindigkeit auf den Geraden, aber dafür höheres Tempo in den Kurven.

Die Vor- und Nachteile der jeweils günstigsten Abstimmung auf ein komplettes Rennen auszurechnen, hat sich schon desöfteren als Problem herausgestellt, denn ganz genau berechnen kann die aerodynamischen Auswirkungen keiner, da sich die exakten Pistenverhältnisse weder im Windkanal noch im Computer 1:1 simulieren lassen. Daher kommt es nicht gerade selten vor, dass sich Neuerungen, die im Windkanal noch wie das Ei des Kolumbus schienen, bei realen Test- oder Rennsituationen als völlig untauglich erweisen.

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