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Author: Trzesniowski M.
Tags: konstruktion aerodynamik rennwagentechnik fahrzeugtechnik rennwagen komponenten systeme fahrzeugdynamik motorentechnik fahrwerk chassis reifen fahrverhalten kraftübertragung rennsport fahrzeugentwicklung atz verlag
ISBN: 978-3-8348-0857-8
Year: 2010
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Michael Trzesniowski
Rennwagentechnik
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Rennwagentechnik
Grundlagen, Konstruktion, Komponenten, Systeme
2., aktualisierte und erweiterte Auflage
Mit 1131 Abbildungen und 106 Tabellen
PRAXIS I ATZjMTZ-Fachbuch
VIEWEG+
TEUBNER
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1. Auflage 2008
2., aktualisierte und erweiterte Auflage 2010
Alle Rechte vorbehalten
© Vieweg+ Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010
Lektorat: Ewald Schmitt I Gabriele McLemore
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Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-0857-8
Vorwort
Dcr Rennsport hat schon im me r eine Faszination auf Techniker wie auf Laien gleicherma-
ßen ausgeüb t, we n n vielle icht auc h m it a nderen Sichtweisen. Auf jeden Fa ll ste ht eines im
Vorderg ru nd: Das Ausloten des me nsc hlich u nd physikalisch Machbaren. Fü r Technike r
ist d ie Suc he n ach de m Optimum faszi niere nd u nd wichtig zugleich , auch wenn es nic ht
(gle ich) erre ichba r ist. Ken nt ma n zumi ndest die rich tige Richtu ng, ka nn ma n die Weichen
e iner Entwicklu ng zuk unftsträc htig stelle n. In dem Zusa m menha ng war e ine Publikat ion
für mich richtung weisend, bei der in eine r Grafik eine Bauteilau sleg ung in untersc hiedliche
Bereiche geg liedert war. Weit abgerückt von den Se rientei len hob sich ein Be reich he r vor,
der mit ..Vorause ntwick lu ng/Forschu ng u nd Renns port " zusam me ngefasst war. Das, was
heute als Extrembeispiel versucht wird, kan n morge n als Serie nlösung aufgeg riffe n wer-
den . Im Rennspor t wird losgelöst vo m Serie nalltag versuc ht, eine Lösung auf tec hnische
Proble mste llu nge n zu finde n. Allerdi ngs nic ht irgendeine Lösu ng, sonde rn eine hera usra-
ge nde , e ine, d ie einen Wett bewer bs vorte il gege nüber de n Geg ne rn verschafft . Faszinierend
ist auch, m it welchem Einsatz die Bete iligten dabei vorgehen. Vergleichswe ise kleine Abtei-
lunge n schaffen in ve rblüffend kurzer Ze it Motore n, Ra h men.ja ga nze Fah rzeuge, di e no ch
dazu konk ur renzfähig sind.
Natü rlich wird die Entwi ck lung dabe i stark vo m Reglement vorgege ben . Langs trecke nre n-
ne n u nd Rallyes sind a uf G rund de r Anforde rungen nä her a n Ser ien lösu nge n angesied elt als
Spr intbewe rbe a uf d er Ru ndstrec ke.
Wenn Beispiele aus de r Formel I an verschiedenen Stellen in diesem Buch auftauchen, dann
deshalb weil diese Rennserie zu mindest in Europa den Gipfel an finanziellem sowie perso-
nelle m Aufwand darstellt und so zu mindest im mittlerweile eng gesteckten Rahme n ihres
Reg lements das de rzeit Mac hba re darstellt. Diese Be ispiele solle n abe r nicht die Leistu nge n
von anderen Renns portk lassen sch mälern, d ie m itu nte r mit we n igen fre iwilligen Helfe rn
manch mal nur unter Einsatz von Privat mitteln vergleic hswe ise Beachtliches aufdie Räder
stel len. Hier wird feh lendes Budge t durch ansteckende Begeiste ru ng ausgeglichen . lch
möchte mich auch bei all diesen Teams beda nken , die sich bereitwillig die Zeit genommen
haben und mir einen offene n, ungehinderten Zugang zu ihrer Technik ermöglicht haben.
Dieses Buch soll das Wissen inte ressierte r Laien erweitern , so dass sie beim nächsten
Rennbes uch die Fah rzeuge mit anderen Augen bet rachte n können u nd im Fa h re rlage r bei
leidensch aftlichen Gesprächen über den Wagen mitdiskutieren können. Weil nicht jedes
Iv
Vo rwort
vorkommende Fachvokabel geläufig sein kan n, gibt es einen Anha ng mit Erläuterungen zu
wichtigen Ausdr ücken.
Dieses Buch ist aber auch für Studierende einer technischen Fachrichtung ebenso gedacht
wie für bereits beru fstätige Ingenieure, die ihr Wissen in den Rennsportbereich ausweiten
wollen. Deshalb werden an wesentlichen Stellen auch physikalische Hintergrü nde samt ein-
fachen Gleichungen dargelegt.
Zahlreiche dankende und ermunternde Leserzuschri ften bestätigen , dass diese Ziele
erreicht wurden. Viele Vorschläge für Verbesse rungen und Ergänzun gen sind in die vor-
liegende 2. Auflage eingeflossen. Bezeichnend für die befruchtende Weiterentwicklung
der Renn fahrzeuge ist die starke Erweiterung des Kapitels M Antriebsstrang. In einigen
Rennserien wird mittlerweile mit Energierückgewinnung gefahren, eine Technik, die eng
mit Hybridantrieben verbunden ist und zur Energieeinsparung beitragen kan n, also durch-
aus für Serienfahrze uge interessant werden wird. Wer weiß, vielleicht gibt es in der dritten
Auflage be reits ein Kapitel über reine Elcktroant ricbc?
Ich wünsche allen Leserinnen und Lesern, dass sie bei der Lektüre wesentliche Impulse für
Studium, Beru f und/oder Freizeit aus dem vorliegenden Werk erhalten, sei es weil sie ein
Fahrzeug konstruieren, eines bauen oder weil sie eines neugierig betrachten.
Gra z, im Frühjahr 2nlO
Michael Irz es niowsk i
Inhaltsverzeichnis
AEinleitung ........................................................ 1
I Arten von Rennfahrzeugen
1
2 VergleichRennsport-Serie............................................
7
3 Entw icklungs abla uf
10
B Fahr7eugkonzept..................................................
15
I Entw icklungsablauf
16
2 Auslcgungsbcrciche.................................................
17
3 Konzeptmerkmale
19
3.1 AggrcgatlageundAntriebskonzept.................................
19
3.2 Konzeptvergleieh............................................... 22
4 KonzeptionierungGesamtfahrzeug..................................... 40
5 Allgemeine Konstruktionsprinzipien beim Entwerfen
45
6 Werkstoffe........................................................
60
6. 1 Übersicht gängiger Werk sto ffe
60
6.2 w e rkst offverglei ch
63
6.3 WerkstalTwahl
65
7 Kosten .. ..
66
C Sicher heit
71
1 Fahrzeugaufbau . .
72
2 Schalter ........
75
3 Schutzein richtunge n
76
4 Prüfungen
87
D Cockpit
91
1 Konzept..........................................................
92
2 Fahrerposition
95
3S~
~
4 Lenkrad.......................................................... 102
4.1LagedesLenkrades.............................................
102
4.2 LenkradabmessungenundAusführungen............................
\03
5 FußhebelwerkundPedale ............................................
106
6 Schaltung......................................................... 114
7 Armaturenbrett
117
8 Rückhaltesyste me
117
9 Beispiele .........................................................
122
l VII
Inhaltsverze ich nis
E Aerodynamik
125
1 Einleitung. .. .
126
2 Luftwide rstand
128
3 Abtrieb.......
136
4 Flügclbc ree hnung
157
5 Luftleitcl eme nte
161
6 Wär meab fuhr und Entlüftung
164
7 Auslegung und Abst imm ung. .
171
F Auße nhaut
177
1 Begriffe ....
178
2 Anforderungen
178
3 Gestaltung ..
179
4 Werkstoffe....
187
G Reifen und Räder
189
1Begriffe ..........................................................
190
2 Reifen
197
2. 1 Anforderungen
197
2.2Grundlagen ...................................................
197
2.3 EinflussaufdasFahrverhalten..................................... 20I
2,4 Wahl de r Reifeng röße
225
2.5 Reife ndaten
227
2.6 Reife narte n
227
2.7 Ventil........ .
228
3 Räder............
230
3. 1 A nforde ru ngen
230
3.2 Bezeichnungen von Rädern . .
230
3.3 Arten von Rädern
233
3,4 Wahl de r Radgröße
236
4 Radbefe st igung
237
H Fahrwerk ....
245
I Funktio n
246
2 Beg riffe und kine matische Größen
249
2.1 Begriffe .......
250
2.2 Entw icklungsz icle.. . . .... .
264
3 TeilederRadaufhängung........
277
3.1 Radaufnehm ende Elemente. .
277
3.2 Verbindungsglicdc r. . .
278
3.3 Gele nke . ..
279
3,4 Radlager . .
282
3.5 Berechn ung
296
4 Federung
297
VIII I
Inhaltsver zeichnis
5 Dämpfcr...............
309
5.1 Schwingungen . . ... .
309
5.2 Sc hwingungs d äm pfe r
314
6 Stabilisatoren . . . . . . ....
326
6.1 Berechnung .......
329
6.2 Gesta ltung von Stabilis atoren
335
6.3 Beispiele von Stabilisato ren
340
7 BauformenvonAchsen..........
342
7. 1 Doppelquerlenkemehse . . . . . .
343
7.2 Bauteile von Doppclqucrlcnkcrachsc
353
7.3 MePherson-Aehsc. . . .... . . ... . . .
384
7.4 Starr achse
384
8 Beispiele von Rad aufhä ngungen von Rennfahrzcugen . . .
386
9 Daten
....................................
389
I Bremsanlage
391
1Allgemeines....................................................... 392
2 Anforderu ngen an Bremsanlagen
394
3 PhysikalischeGrundlagen............................................ 394
4 BremsenbauartenundAnordnungen.................................... 405
5 Kennwerte
407
6 BauteilevonBremsanlagen........................................... 413
7 Bremseneinbau
435
8 Auslegungskrite rien von Bremsanlagen
438
9 Normen
......................
438
J Lenkung
439
1 Anforderungen
440
2 Auslegung
440
2. 1 Lenkwinkel. Spurdi fferenzwinkel
442
2.2 Kenngrößen der Lenkgeometrie . .
446
2.3 Lenkübersctzung . .
453
2.4 Lenkunterstützu ng
456
3 Lenkwelle
457
4 Lenkgetriebe .. .. . .. ..
463
5 Übert ragungseinrichtung und Achslager . .
471
6 Lenkungsschw ingungen
484
7 Allr adle nku ng
485
K C etnebeauslegu ng . .
..........
487
1 Lcistungsbcdarf . . . . .
..........
488
2 Getriebeplan und Z ugkraftdiagramm . .
495
3 Antriebss trang Übersicht . .
50I
4 Übersetzungen..........
502
Inhaltsverzeichnis
L Rennmoto ren
513
I Grundlage n
514
2 Motore nwa hl
522
3 Verluste
530
4 Baugruppe n
535
4.1 Zylinderkopf
537
4.2 Ventiltrieb
554
4.3 Kurbehricb .. . ..
567
4.4 Kurbclgchaus c . .
581
4.5 Ansaugenlage . .
584
4.6 Abgasan lage .. .
602
4.7 Schmicrölvc rsorgung . .
610
4.8 Kühlung...........
616
5 Besonde rheiten von Rennmotoren
621
6 Betriebsstoffe...................................................... 623
6.1Kmftstoffe.................................................... 623
6.2Schmierstaffe.................................................. 625
6.3 Kühlflüssigkeit................................................. 626
7 Beispiele von Moto ren
627
1\1Antriebsstrang.................................................... 635
I Funktio n
636
2 Kupplung......................................................... 640
2. I Kupplungsbaua rten
641
2.2 A uswahl der Kupplungsgröße . .
647
2.3 Kupplungsbc tätigun g ..
649
3 Getriebe....................
652
3. 1 Schaltge triebe
656
3.2 Stufenlosgetr iebe (CVT) . . . .
685
3.3 Achsge triebe
686
4 Differenzial ............
689
4.1 Beeintlussba re Differenz iale
693
5 Wellen
........
702
5. 1 Ant riebswelle n .. .
703
5.2 Seiten welle n
71\
5.3 Wellen gel enke
715
6 Allmdantrieb .. . . .
724
6.1 Grundlagen . .
725
6.2 Renneinsatz . .
727
6.3 Bauformen . . . .
728
7 Elektronische Fahrhilfe n
731
8 Bremsenergierückgewinnung
734
9 Beispiele
74\
xl
Inhaltsv er z e ichnis
N Kr attstorrsystem
743
1 Anforderungen und Übersicht . . .
744
2 Kraftstofftank . . . . .
746
3 Anschlüsse........
751
4 Kraftstoffpum pe .. .
755
o R ahmen
757
I Anforderungen . .. .
758
2 Bauarten
758
2. 1 Gitterrohrahmen
759
2.2 Kastenrahmen
.......
777
2.3 Monocoq ucs aus Faserverbundwerkstoffen . . .
793
3 Festigkeit. .
804
4 Anbauteile...............................
806
P Elektrik
813
1 Verkabel ung Übersicht
814
2 Batterie
815
3 Generator......................................................... 816
4 Leitungen und Verbindungen
817
5 Schalter.......................................................... 818
6 Schaltplan
819
Q Abstimmung und Entwicklung
821
I Einleitung
822
2 Einflussfaktoren . .
823
3 Da tene rfassung
831
Anhang
Glossar
835
Abkürzungen. . . .
849
Lite rat ur ve rzeichnis
864
Sachwortverzelchnis . .
879
Einleitung
Introduction
A
1 Arten von Rennfahrzeugen Types ot race cars
Unter Motorsport werden alle mit motorgetriebenen Land- oder Wasserfahrzeugen betrie-
benen Sport arten (Aut omobil-, Motorra d-, Moto rbootsport} versta nde n. Zum Auto mobil-
sport u. a . Straßenrennsport (Racing}, Rallye- und Tourenwagensport. Aulo- und Rallye-
cross und Kfz-Vctcra ncnsport; zum Moto rrad spo rt gehören u. a. Straße nre nnsport (Racing),
Lei st ungsprüfungssp ort (Enduro), Spccd way und Eisspccdway : zum Moto rbootsport Motor-
boot rcnnsp ort (Regatten auf einem durch Wend eboje n markierten Rund ku rs von 1500 bis
2000 m Länge in mehreren Läufen) und Offshoresport . im weite ren Sinn auch der Wassersk i-
sport. Im Folgenden sollen meh rspurige Wettbewerbsfahrzeuge im Mittelpunkt der Betr ach-
tungen stehen, Hild A-L
A Einleitung
Wettbewerbe
Landfahrzeuge
mehrs purig
Wasserfahrze uge
einspu rig
Luftfahrzeuge
Personen-
kraftwa en
l astkraftwagen
Moto rräde r
Rundst recke
un befesl igt
Bild A ·' Einteilung der Moto rsportarten (Auswahl).
Strecke
unbefest igt
Eine allgeme ingültige Einteilung de r Wcttbcwcrbsfahrzcugc allein nach Bewerben oder
Fahr zeugtypen lässt sich nicht darstellen. Zu vielfältig si nd die Starterfelde r bzw. die tech-
nischen Vorgab en einzel ner Regl ements. Es lasse n sich jedoch unabhängig von Bcwcrb s-
arten einige typische Fah rzeuge nach tech nischen Gesichtspu nkten kategorisieren, Bild
A-2. Cupfahr zeuge auf Straßenfah rz eugbasis . Rallyefah rzeug e auf Straßenfah rzeugbasis,
zwcisitz igc Sport prototypcn. die nur zu Rennzwecken gebaut werden. ei nsitzige Rennfahr-
zeuge (Monoposti) mit offenem Cockpit sowie freistehende n Rädern und Tourenwagen.
a
b
1 Art en von Rennfahrzeugen
A
·.~
I-
d
e
Bild A-2 Typ ische Ren nf ah rz eug e rypical racecars.
a Cup-Fah rzeug cup veh/ele
b Rallyefahrzeug rally veh lele
c Offene r Sportprototyp sport car, open
d Geschlossener Sportprototyp soon css, ctosed
e Forme lwagen formula car
f Toure nwagen toun'ng car
f
Diesen Fahrze uge n können einzel ne Bewe rbe z ugeo rdnet werden:
Cup-Fahrze uge; Catc rham Hank ook, Clio C up, Ford Fiesta Cup, Gl M Serien, Lupo C up,
Mini Challc ngc, Polo Cup, Porschc Cup, Per sehe Super Cup, Seal Lcon SC, Yaris Cup
ctc.
Rallyefahrzeuge: Bergrallye. nationale Meisterschaften , HJS Rallye, Weltmeisterschaft , ctc.
Sportprorotypcn: 24 Stunde n von Lc Malls, ALMS (Amcrica n Lc Malls Scrics), FIA GT,
Radical Race Cup, Rhino's GT Serie, Scbring, ctc.
Formelwage n. AI GP Serie, F3 Euro Scrics, Formel I, Fo rm el 2000 (ehe mals Easter), For-
mel 3, Formel BMW (ehe mals ADAC), Formel Ford, Formel König, Formel Opcl, Formel
Renault, Formel Renault EM, Formel Renault V6, Form ula Stude nt, Fo r mel V, Liste For-
mel Junior, Recaro F3 Cup, ctc.
Tourenwagen : 24 Stunden Nürburgring, ADAC Proear, Castrol Haugg Cup, Divinol Cup,
DTM (Deutsc he Tourenw age n Maste rs) , FIA ETCC, FIA WTCC, La ngstrce ke Nürbu rg-
r ing , STT, ctc.
Eine weitere Unte rteilung bietet das internationale Sportgesetz der FIA (Anhang J Artikel
251). Dem nach werden mehrspurige Wettbewerbsfahrze uge in Kategor ien und Gruppen ein-
geteilt. Untersch iede n werden Kategorie I (c.h omologjcrtc Produktionswagen" ), Kategorie 11
(" Rennwagen" ) und Kategorie BI(Lkw). Im Einzelnen werden dabei unterschieden:
A Einleitung
Kategorie I
Gruppe A : Viersitzige Tou re nwagen (lour ing curs) mit ser ie nmä ßige r Karosse r ie, Prod uk-
tion mindestens 2500 Stück im Jah r. W RC (Wortd Rally Car) gehören ebe nso
daz u.
Gruppe B: ZwcisitzigcGT- Fahrzcugc(grand touring c ars s, Das sind straße ntaug liche Renn-
wage n, Prod uktio ns volume n mi nde ste ns 200 Stück im Jahr.
Gruppe N: Produkt ionswagen tproduction cars). Das sind vie rs itz ige Se rienwage n mit
geringfügigen Ä nderu ngen, Produktionsvolumen mindestens 2500 Stück im
Jah r.
Gruppe SP: Super- Produktionswagen (super p roduction cars). Produktionsvolumen mi n-
destens 2500 Stück im Jah r.
Gruppe Tl: Scricn-Gclä ndcwagc n tseries cross-count ry cars).
Kategori e 11
Gruppe CN: Produktionssportwagen [product ion spor ts cars). Das sind zweisitzige Pro-
totypen mit einem se riennahe n Motor mit höchsten s 3000 cm' Hubraum.
Kraftstofftan k volumen unter 100 I. Mindestgew icht vom Hubrau m abhängig,
z.B.625kgbei3000cm' .
Gruppe D : Inte rn ationale Formel rennwage n (in/a national racingformula racing cars) .
For mel J:
Monoposto mit V8-Motor, Hubraum bis 2400 cm', ohne Tur-
bolader, Mindestgewicht 600 kg.
For mel 3:
Monopo sto, Moto r von e ine m Gro ßse rienaggregat a bgelei tet ,
Hubraum höchsten s 2000 cm3.
Formel Jooo: Monoposto, Hubrau m bis 3000 cmt , Mindcstgcw icht 625 kg.
Grup pe E: For melfreie Re nnwage n (freeformuta racing car s ).
Grup pe GT1: Gra nd-Tourlug-Sportwagen (grand souring cars). Das sind straßentaugliche
Fahrzeuge mit offenem oder geschlossenem Cockpit, Zweisitzer mit max.
zwei Türen.
Gruppe GT2: Ser ien·Grand+Tour ing·S portwagc n (series grand tonring cars). Das sind
straße nta ugliche Fahrzeuge mit Saugmotore n von max . SOOO crn! oder aufgc -
Jadene Motoren mit max. 4000 cm3 Hubvolumen. Bei beiden Motorart en sind
Luftmcngenbegrenzer vorgeschrieben.
Gruppe GT3: Cup+Grand+Touring+Sportwage n (cup g ra nd touring ca rs}. Welche Fahrzeuge
zu dieser Gruppe gehören, ist einer Liste zu entnehmen, die von der FIA
geführt wird. Diese Fahrzeu-ge werden einzel n von de r FIA homologiert.
Gruppe SR: Sportwage n (s ports car ). Zwcisitz ige. reine Rennfahrze uge mit of fene m oder
geschlosse ne m Coc kpit. Im z we iten Fall mit zwei Türen. Mindc stgew icht
750 kg (SR2) und 900 kg (SRI). Motoren: SR1: Freisaugende Ottomotore n bis
6000 cm ", aufgeladene Ottomotoren bis 4000 cm' und aufgelade ne Diesel-
motoren bis 5500 cm -'; SR2: Freisaugende Ottomotoren bis 4500 cm', a ufge-
ladene Ottomotorcn bis 2700 cm", Kraftstofftankvolumen 90 I. Scheinwe rfe r
vorne und Heckle uchten hinten vorgesch rieben,
Gruppe Tl : Gelä ndew agcn-Prototypc n (modified cr oss -country cars).
Kat ego ri e 11I:
Grupp e F: Renn - Lkw (raci ng trucks v.
Gruppe T4: Raid-Rallye-Lkw (cross-country trucks v.
1 Art en von Rennfahrzeugen
Für das be r üh mte 24-Stun den-Rennen in Lc Mans g ibt de r Veranstalter ACO ein eige-
nes Reg lement heraus . Es gibt mehrere Fahrze ugkategorien. deren Mot oren allesamt eine n
Luftmc ngcnbcgrcnzc r aufweisen :
Lc Mans Protot yp: LMP 900, LMP 675 (offe ne Sportwage n); LM GTP (geschlossene
Spo rtwagen)
LM Grand Tour ismo: LM GTS, LM GT
Daneben gibt es noch weitere Spezialfuhrze uge flir ande re Wettb ewerbe, z . B . Dragstcr für
Beschleunig ungsre nnen oder Auto- und Rallyecross fahrzeuge.
Aus obigen Aus füh r unge n wird ersichtlich , w ill man eine a llgemei ne, übe r alle Bewerbe
hinweg gelte nde g robe Einteilung von Ren nfahrzeugen vornehmen. bleib t nur j ene in Fahr-
zeuge mit freistehenden und solche mit umschlossenen Rädern.
Im Grunde geno mmen ist eine Einteilung der Renn fahrzeuge für deren Konstru ktion gar
nicht er forderlich. Die Konstru kt ion ei nes Rennfahrzeugs orie ntiert s ich technisch in erster
Linie arn Einsatzzweck allerdings nur innerhalb de r von diversen Bestimm ungen vorgege-
bener Gre nzen. Dennoch werden in diesem Buch keine Reglem ents deta illiert vorgestellt.
Ein Reg lement hat unter anderem d ie Aufgabe eine Wett bewerbsgleichheit sicherst el len
(c.Spiclrcgcln") und wird oftmals geände rt. Bei diese n Angabe n ist daher in erster Linie
wesentlich, dass sie leicht messbar bzw. überprüfba r sind. Viele weitere Rcglcrncntvorga-
ben si nd fü r de n Konstrukteur abe r a llgemein insofern beach tenswert , als d ass sie du rch
Unfälle und Vorkommnisse in der Vergangenheit entstanden sind und so einen gewaltigen
Erfahrungsschatz darst el len. Gewisse Passagen finden sich demn ach auch beinahe in allen
Bestim mungen. Im vorliegenden Werk wollen wir nur dan n auf einz el ne Reglementa ussa-
gen zurückg reifen, wenn diese für die Sicherheit oder für das Verständ nis ei ner gewählten
Lösung relevant sind. Bei der Konst ruktio n eines Fahrze ugs muss ohnedies das ak t uell (1)
gültige Reglement herangezogen werden. will man vermeiden, dass der neue ..Wunderwa-
gcn" sc hon bei seine m ers ten öffe ntlichen Auft ritt eine schlechte Figur macht. weil er die
tec hnisc he Abnahme nicht schafft. Die FIA-Bestimm unge n können im Einzelnen unter
andere m übe r das Intern et [AOl] gelese n oder heru ntergeladen werden.
Nachfolgende Bilder zeigen in loser Reihenfolge einige Beispiele von unt erschied lichen
Rennfahrzeugen.
A
Bil d A-3 Indy Gar: Hochgeschwindigkeitsfahr-
zeug für Ovalkurse.
Bil d A-4 FIA GT Fahrzeug.
15
A Einleitung
Bild A -5 To urenwagen: Fahrzeug b asier end auf
Serien teilen.
Bild A-7 LMP1 -Fahrze ug: Lanqstreckenfahrzeuq
mit offenem , z weisitzigen Cockpit und umschlos-
senen Räd ern.
Bild A -9 Ser ien nahes Cu p-Fahrzeug.
Bild A-6 Formel-1-Wagen: Monopo sto mit frei-
stehenden Rädern und offenem Cockp it.
Bild A- 8 Kar t: Monopesto . keine bewegl ichen
Te il e be i de r Radaufhängung, k ei n D ifferenzial.
Bild A-10 Raüyetah rze uq : Rallye fah rzeuge
bewegen sich auf befestigter und u nb et e süqter
Fahrbahn.
Bild A-11 Rennmotorrad .
Bild A-12 Raid-Lkw: Au ch Nutzfahrzeuge wer-
den auf der Rundstre cke und wie das a bgebildete
Fahr zeug im Gelände für We ttbewerbe eingeset zt.
2 Vergleich Rennsp ort -Serie
2 Vergleich Rennsport-Serie
Comparison racing vs. mass production
Rennfahrzeuge sind praktisch gleich alt wie die Fahrzeuge selbst. Sobald der Mensch ein
Fahrzeug erfunden halte, fuhr er damit auch um die Wette. Damals waren Renn- und All-
tagsfahrzeug baugleich. Im Laufe de r Geschichte wur den j edoch Fahr ze uge speziell für
Wettfahrt en gebaut. Diese Rennfahrzeuge haben nur einen Zweck, näm lich Renn en z u
gewinnen. Das bedeutet, eine besti mmte Strecke innerh alb von Regle ment vorgabe n mög-
lichst schnell zu durchfahren und dabei nötige und erlaubte Wartungs- und/oder Reparatur-
arbeiten ebenso rasch zu bewältigen. Das Fah rzeug muss daher hohe Fahrleistungen bringen
können (siehe Kapitel 8 Konzep t) sowie ein fach und rasch zu rep arieren sein. Tab elle A-1
zählt einige Untersch iede zwisch en Gebrauchsfahr zeugen und Rennfahr zeugen auf.
Ta b. A - ' Unterschiede in den Anforderungen von Straßenfahrzeugen zu Rennfahrzeugen.
A
Anford erung
Straßenfahrzeug
Sicherheit
hoch , Verkaufsargument
Komfor t
hoch, Verkaufsargument
Sty ling
w ich tig. Verkaufsargument
Lebensdauer
10 bis 15 Jahre
Kosten
wich tig. Wirtscha ft lichkeit
Termine
w ich tig. aber nic ht fest
Gesetzliche
viele, länd ersp ezifisch
Anforde rungen
Planungszeitraum
3-5 Jahre und mehr
Produktionsvolumen sehr hoch
Rennf ahrzeug
Bem .
r eglementbedingt
a
unw icht ig; teilweise sogar
b
une rwü nscht
eher unw icht ig, Bede utung fü r
Sponsoren und Privatfahrer
1-3 Jahre. je nach Kategor ie und
Eigen tümer
eher unw ichtig, abhäng ig von
Eigentümer
w icht ig und unverschiebba r
c
ein Reglement fü r jede Kategorie
oft unter einem Jahr
Einzelstücke, Klemstserten
Wartung
Reparatur
Benutzer
Bauartgeschwin-
digkei t
eher selten, gesetzesbed ingt
in Fachwerkstä tte unter relativ
ger ingem Zeitdr uck m it allen
Werkzeugen und Masch inen, d ie
erhältlic h sind
Allgemeinheit, nicht speziell
gesch ult
teilweise bis max. 250 km / h;
durc hschnittliche Ensatzpe-
schwindiq keit wesentl ich geringer
sehr häufig, prakt isch vo r und
nach jedem Lauf
an de r Rennstrecke unter hohem
Zeitdruc k und nur m it den Mitteln ,
die erlaubt bzw . vorhande n sind
au sgewählter Personenkreis.
m eist professionelle Nutzer
über 350 km/h: höchs te Einsatz-
geschwindigkeiten angestrebt
A Einleitung
Anforderung
Nachttauglichkei t
Winlertauglichkeit
Straßenfahrzeug
wichtig: Bele uchtung, In st r um e n -
tenbeleuchtung
wichtig: Startverhalten , Heizung,
Belüf tung , Reifen , S ch neeketten
Rennfahrzeug
nur be i Rallyefah rzeu gen u nd
Langslreckenrennwagen
außer be i Rallyefahrze ugen nich t
erfo rder lich
Bem .
Bemerkungen:
a) Vom Reg lem ent ge forde rt e r Nachwe is sicherheitsrelevanter Merkmale - Tendenz steigend
b) Ein Rennfahrer möchte . oaa Fahrzeug spüren ", d. h . ein we ich gepolsterter Sitz beispielswe ise hinde rt
d en Pilot e n eines Formelwagens d aran , den G renzbe reich z u erfahren.
e) Der Produk tionsbeginn {SOP: Sta r t 01 Prod ucnorü w ird event uell verschoben , das Rennwochenende
n icht
Bei Rennfah rzeugen we rden ein fache Lös ungen angestrebt. Das Fah rzeug muss auch mit
relativ ei nfachen Mit tcln auf verschiedene Strecken- u nd Witteru ngs vcrhältnisse einstellbar
sein. Erstere bet reffen beispielsweise Bremsenkü hlu ng und -vcrschlciß , Balance zw ischen
Luft w idersta nd un d Abt rieb, letztere Umgebu ngste mperat ure n und Niedersc hlag.
Durch d ie untersc hiedlichen A nforder ungen ergeben sich zwangslä ufig andere A rbeits-
bedingu ngen fü r die Beteiligten im Mot orsport im Vergleich zu ähnlichen Positionen in de r
Ser ienentwic klung. Von diesen werden unkonvent ionelle A rbeitszeiten, direkt ere Verant-
wortu ng und absolute Hingabe erwa rtet [AOS]. Entscheidu ngen müssen oft rasch get roffen
werden und sind manchm al fü r Ingenieu re von Serienherstelle rn nicht ganz nachz uvoll-
z iehen, weil sie aus der Erfahrung und aus dem Gefühl heraus kommen [AOS}. Viele große
Automobilkonzcrne stehen dennoch mit dem Motorsport in mehr oder weniger direkter
Verbindung. Der Gru nd liegt u. a . in de m Marketingn utzen eine r Motors portbeteiligung. So
stiege n die Absatzzahlen der damaligen DaimlcrC hryslcr AG von 21,3 auf36,3 % . seit dem
ein For mel-I -Team offiziell Mcl.arcn-Mc rccdcs heißt [AOS].
Der Motorsport bietet je nach Formel auch die Mög lichkeit neue Werkstoffe und Systeme
einz usetze n und zu er probe n. Die üblichen Zwänge der Serie nentwick lung , wie Kosten-
druck, Einsch ränkung auf vorhandene oder besti mmte Fertigungseinric htunge n. stehen
oftmals der Einführung neuer Techniken und Werkstoffen entgegen. Und nicht selten ist der
Rennsport Triebfeder ein er Entwick lung, die später in Serienfah rzeugen Eingang findet. Die
oft gestel lte Frage nach dem Einfluss des Motorspo rts auf den Fortschritt in der Ser ienent-
wicklung kan n also nicht einfach beant wortet we rden. Die Motorspo rt abteilungen auch g ro-
ßcr Auto mobilkonzerne sind meist organisato risch und geog rafisch losgelöst vom Einfluss
des Werks. Die Arbeiten werden von Spezialiste n durchgeführt und der direkte Einfluss des
namensgebenden Herstellers ist in erster Linie finanzieller Natu r. Andere Renn sportfirmen
sind oh ned ies kleine Hersteller, d ie völlig u nabhäng ig von g roßen Autokon zernen arbeiten.
Die Konstruk tionen sind Sondcrkonstr ukrioncn, d ie ja gar nicht auf eine g roße Stückzah l
abzielen. Dass dasselbe Personal Serie n- und Moto rs port proje kte vorant reibt kommt se lten,
aber doch vor. Die Baugru ppe Motor liefert er folgreiche Bei spiele dafür. Wahr scheinlich
allein desh alb, weil viele Rennmoto ren zunächst von vorhandenen Serienmotoren abge-
leitet wurden und werden. Trotz dieser geri ngen direkten Beeinflussung der Serie durch
den Moto rsport , lassen s ich indir ekte Beei nflussung und Übernah me von Tec hniken nicht
leugnen.
81
2 Vergleich Rennsp ort -Serie
Die tragende Struktu r von zwei Serie nsportwagen hat deutliche Anleihen aus dem Ren n-
spor t genommen.
So weise n der Persehe GT und der Mercedes MeLaren CFK-Rahmen auf. Das Produk-
t ionsvolumen solc her C FK-Hohlprofilrah mc n kön nt e auch gesteigert werde n, so dass es
z umindest für Nische nfa hrze uge wirtsch aftl ich interessa nt w ird [A IO ].
Das Kernpaket verfahren zum Gießen von Teilen wurde zunächst nur für Sonde rmodelle
und Rennsport ei ngesetzt. Mittlerweile w urde es auch für Großserie n weitere ntwickelt.
Tab . A -2 Der Motorsport als Schrittmacher für neue Werkstoffe und Technologien [A07].
Jahr Firma/Fahrzeug
Bemerkung
1895 M ichelin
Fahrzeug mit Luftbe reifung im Rennen Pans-Bordeaux-Pans
1899 Dürrkopp
Entwickl ung eines kleinen Spo rtwagens . der zur Gewich tsredu-
zierung eine Alumini um- Karosserie besaß
1900 Mevbacn/Oaimter
Für Jellinek gelieferter Danrue r, den d ieser dann nach sei-
ner Tochter .Merceoes' nannte, hatte einen w eitgehend aus
Aluminium und Magnesium hergestellten Mo tor sowie einen
Bienenwabenküh ler aus Messing
1934 Auto-union
Kurbelgehäuse und Zylinderköpfe aus Alum iniumguss gefertigt
beim 16-Zyl inder Motor
1962 Persehe
Titan für d ie Pleuel des Formel-1- Motors
1963 Persone 90 4 GTS
Erstes deutsches Serienfahrzeug m it GFK-A ußenhaut
1967 Persehe 910/8
Verwendung eines Aluminium-Gitter-Rohrrahmens mit parti-
eller Sekundärfun ktion der Rohre als Ölleitung
1971 Porsche 917
Verwendung von Magnesium fü r Gitter-Rohrrahmen
198 1 Hercules/Mct.aren/t.otus Tragende Stru ktur von Formel-l -Fahrzeugen erstmals aus
koh lefaserverstärk ten Kunsts toffen (CFK)
In [A06] we rden auc h d ieselben Tendenze n be i Renn- und Serie nfahrze uge ntwick lung fest-
gestellt :
Mehrve ntilmotoren mit zu nehme nden Marktanteilen,
Aufgeladene Motoren e benfalls mit z unehmenden Marktantei len,
Dreh moment/Leistung nimmt zu,
Hubraum n immt a b: Leis t ungsdichte wird besser ,
Aus kle iner werde nde n leichtere n Mot ore n wird mehr Drehmo me nt/ Leistu ng erzielt ,
Verdichtungsverhält nis nimm t zu ,
Nenndrehza hl nim mt ab,
Mittel drüc ke steige n,
Elek tronik hat hohe n Stelle nwert a uf breiter Front: Motor , Getr iebe, Bre msen etc . und
neuerdings d ie ga nzheitliche Vernetzu ng von Syste men z u einem Gesamt syste m.
Allge mein lässt sich feststelle n, dass de r Nutzen des Motorsports f ür die Se rienentw icklu ng
wohl im großen Maße vom Regle ment abhängt und von der Org a nisatio n des Unterneh me ns.
A
19
A Einleitung
Reg le me nts , die den Einsa tz von Sys temen verbieten. d ie in Serien fuh rze uge n eingesetzt
werden . ve rhindern einen vom Motorspor t ve ru rsac hten Fortsc hr itt. A ndererseits ve rbesse rt
die gleichzeitige Entw icklung von Se rien- und Motors portagg regate n dur ch ein Tea m glei-
cher maßen die Zuve rläss igkeit wie die Ren nsportt aug lichkeit [AOS]. Man stellt auch fest,
dass mit der z unehmenden Forde rung nach Zuverlässigkeit, z . 8. für Langst reckenrennen.
sich die Lösungen deutlich an die Serienlösungen annähern, was natürlich einen größeren
Nutzen für bcidc Seiten nach sich zieht.
Das j üngste Beisp iel da für, wie ei n Tra nsfer zw ischen Motors port und Ser ienentw ick-
lung bewusst forciert wurde liefert der Lc Mans Sieger 2006: Audi RIO TDI. Aus Marke-
tinggründen und aus de m einfachen Gru nd, weil es bis dato äußerst wenig Erfahrung mit
Dieselre nn mot oren g ibt, lieferte die Seriene ntwic klung maßgebliche Inputs bei der Kon-
zept ion des Rennmotors [All].
Dass sich nicht alle Lösungen direkt aus dem Rennsport für die Serie übernehmen lassen,
liegt vielfac h a uch da ran , dass die Entw icklungsziele nicht dieselben sind . Bei eine m Se ri-
enprod ukt steht arn Anfang zwar auch die Optimierung der Funktion im Vordergrund und
wird später abgelöst durc h d ie Suche nach de r beste n Gesta lt (Festigkeit und Materia lver-
brauch), abe r letztendlich steht die wirtschaftliche Herstellung und ein ebensolcher Betrieb
im Vorde rgru nd. Die gefo rde rte Alltagsta ug lichke it verlangt von Se rie nprodu kten a uc h eine
einfache und sichere Bedienung ohne Spezialausbildu ng.
Für die Zuku nft ergibt sich wahrsc heinlich ein ncucs Betätigu ngsfeld auf der Seite des
Rennsports, das in der Serienentwicklung schon alltäglich ist, nämlich durch den Geda nken
des Umweltsc hutzes. Wettbe werbe , bei de nen ei n minima le r Kra ftstoffver brauc h im Vor-
dergru nd ste ht, gibt es bereits. Wettbewerbe, bei denen Fahrze uge mit alternativen Ant rie-
ben konkurr ieren sind in Diskuss ion . Ene rgie - Rückgewinn ungssyste me (KERS kinetic
energy recovery systems) , m it denen die Bremse ne rgie für nachfolgende Be schle un ig ung
genutzt werden kann , sind bereits entw ickelt und bei einigen Rennser ien im Einsatz. Solche
Syste me z ur Rek uperatio n (Rückgewi nnu ng) der Bremse nergie s ind insbesonde re für Fah r-
zeuge mit elektrischem Antrieb interessant, helfen sie doch den Energiebedarfder Batte rien
zu verr ingern. Die Vehemenz und Zielstrebigkeit, mit der im Motorspo rt Entwicklungen
vorangetrieben werde n, wäre siche r für die Serie von unschätzba rem Wert.
3 Entwicklungsablauf Oe velopment process
Der ze itliche Ablauf der Fahrzeugen twick lung ist gänz lich durc h de n Veransta ltungskalen-
der und der - mit Ausna hme von Rallye- und Raid-Fahrzeugen - durch die warme Jahres-
zeit bestim mt.
Ein Formel-I -Team entwickelt und baut jä hrlich ein ncucs Fahrze ug, das kaum mehr als 5
bis 10 Prozent de r Kompo ne nten de s Vorgänge rwagens enthält . Dies erg ibt sich durc h O pti-
mieru nge n und das Reglement ka nn gegenüber dem Vorjah r stark geänder t worde n sei n. Ein
Form el-i -Fah rze ug bes teht aus meh r als 3500 Kompone nte n [A04].
3 Entwicklu ngsablauf A
Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov
I
j
Dez •
Konst ruktion
~ Bau ..:
Prototyp ~
Test en
neuer Wage n
Rennen
For sch ung und Entwicklung
Weiterentwicklung
~Testen
; ~),;:'----'-----""'='-------'---
~---""====="----'--
~__-----'c"'-''-'='''-''-''='--'''==='---~_------'
Bild A·13 Aktivitäten eine s Formel -l-Tea ms im Jahrestauf. na ch [A04J. Die Kon stru ktion und der B au
eines neuen Fahrzeuges be ansp ru chen kaum se chs Monate.
Tab. A -3 Entwic klungseckdaten einiger Rennklassen
Klasse
Gesamtbudget
[<j
Testkilometer
pro Te am
Testtage
pro Jahr
und Team
Laufleistung
eines Fahrzeugs
[k m]
Anzahl der
Rennen
Formel l
47 bis 400 . 106 19000 [AO']
65
3000 [A0 1]
[A05]. [A03]
Motor: 400 km bis
2003
ab 2005: 1200 km
Formel 3 [A09] 300 bis 350000
25
Mot or : 1 Saison
(mit' Revision)
Formel Renault
350000
ots 12000
20ce25
Moto r: 3 Revisi-
[A09]
onen pro Saiso n
Formel A -Lista 30 bis 50000
Mot or : 1 Saison
junior [A09]
17
20an'0
Woc hen-
end en
10 bis 13
Die wichtigsten Baugruppen ei nes mehrspur igen Renn fah rzeugs finden sich bei allen Typen
und im Wesentlichen ist auch kein Unterschi ed im Aufb au festzu stellen, wen n m an Fahr-
zeuge mit freistehenden und umsch los senen Rädern betra chtet , Bild A-14 und A-IS . An das
hintere Chass isende schließt sich der Motor an , an dem wiede ru m das Get riebe befestigt ist.
Bcidc bilden die tragende Struktur des Fahrzeughecks, das das Fahrwerk hinten aufnimmt.
Seitl ich neben dem Cockpit befi nden sich Wär meta usehe r für Motorkühlung und event uell
Lad elu ftk ühlu ng. Das vordere Chassisende bildet ein nascnförmlgcr Bug, der das Crash-
element da rstel lt. Untersch iede zwischen For melwagen und Sportwagen ergeben sieh dur ch
Abmess ungen und Ausf üh r ungen des Cockp its (einsitzig, zwcisitz ig, offen, ges ch losse n)
und durch die Gestalt der Außenhaut.
A Einleitu ng
Bild A·14
Aufbau eines Formel-Wagens.
Das mittig angeordnete Cockpit schmiegt sich im
Bereicn der Beine mOglidlst en g an den Fahrer an .
zwscneo Fahrer und M ot or ist oer Tank un terge-
br ach t Anschließend an den Motor ist das Getrie-
be angeflanscht, das auch Teile der Hinterraclauf-
hängung a ufnim mt Die Wä rmet auscher befinden
sich in seitlichen Käs ten n eben d em Coc kpit. Den
Fahrzeugbug bild et eine an das Cockpit ange-
setzte Nase. an die der Fron lflügel ange bracht ist.
Ein Unt erbode n schli eßt den Wagen nach un ten
ab und erz eugt ein en Teil des aerod ynamischen
Abtriebs .
Bild A·1 5
Aufba u eines Sportwagens.
Die Außenhautteile dieses zweisitz igen $portwa-
genprolotypeo Sind entf ernt dar gest ellt, dadurch
wird die engeVerwandtschaft zu einem For me Iw a -
gen oeuncn Oie wesentlichen Baugruppen Sind
n ämliCh in derselben Weise angeo rd net
3 Ent wicklu ngsab lauf
Die wesentlichen Baugrupp en von Renn fah rzeugen sind im Einzelnen:
Cockpit: Nimmt den Fahrer auf und schützt ihn bei Unfä llen.
Rahmen (Chas sis): Beherbergt da s Cockpit, nimmt sämtl iche Kräft e auf und verbindet
weite re Hauptbaugruppen mitei na nder.
Motor: A ntriebsquelle für Fahr zeug und Hilfss ystcmc. Gibt der Sportart ih ren Namen.
Kraf tstof fsystcm : Speichert Kraftstoffu nd vers orgt den Motor mit Energie.
Antriebsstrang: Leitet Motormoment weiter zu den Rädern und wandelt Motordrehzahl
und -drchmomcnt.
Fahrwerk: Führt und hält die Räder, verantwortlich für Funktion der Reifen mit der Fahr-
ba hn.
Lenku ng: Ermöglicht Manövrierbarkeit des Fahrzeugs.
Räder und Reifen: Stellen den Kontakt mit der Fahrbahn her und sind somit eines der
wichtigsten Komponenten.
Brcmsan lagc: Verzögert das Fahrzeug. Kann auch - z umindest ist dies technisch mög-
lich - zu r geziehen Stabilisierung des Fahrzeugs eingesetzt werden.
Außenhaut: Schließt das Fahrze ug nach außen hin, erze ugt und überträ gt Luftkräfte und
seine Gest alt u nd Farbe gibt den g rößten Teil des Aussehens vor.
Elektrik und Hilfssystcmc: Stellt den elektrischen Energie- und den immer größer wer-
denden elektronischen Datenfluss s icher. Weite rs werden darunter Hydraulik- und Pneu-
matiksysteme zusa mmengefasst.
Die folgenden Kapitel erläutern bzw, bes chr eiben G r und lagen, Auslegung, Konstruktion
und Beispiele einzeln er Baugr uppen.
A
Fahrzeugkonzept
Vehicle concept
Mit dem Ko nzept werde n d ie Weiche n fürdie spät ere Deta ilkonstruktion gest ellt. Es geht u m
die g robe Anordnu ng der größten und schwersten Teile und um die grundlegende Charakte-
rist ik de s Wag en s. Die Kon ze ptar beit darf nicht u nte rschätzt wer den. Fehlentscheid u ngen a m
Anfangeines Proj ekts sind später oft nur schwer wieder zu korrigieren . Der Teufel. sagt man ,
steckt im Deta il und meint dam it etwa das Konzept sei nicht so entscheide nd. Dem muss
hinzugefügt werden , dass die Vorfahren des Teufels bereits im Konze pt steckten.
B
B Fahrzeugkonzept
1 Entwicklungsablauf De velopment process
Im Motorsport exist iert im Allge meine n cin Fah rze ug aus der vcrga ngcnc n Rennsaison . Die
Konzeptarbeit für d ie folge nde Saison begi nnt dem nach bei ei ner Analyse des Vorgänge r-
rnodclls . Weitere Einflussgröße n sind das Reg le me nt, das stetige n Ä nde r ungen unterwo rfen
ist, und der Zeitpla n. gcnaucr der Zeitpunkt, ab dem das neue Fah rzeug verfügbar sein soll
[8 04]. Ein ncucs Fahrze ug muss nicht unbedingt zu Beginn de r ne ue n Rennsaison z ur Vcr-
fügeng stehen. Nach der Winterpa use brauchen die Fah re r wieder einige Rennpraxis um die
Gre nzen eines Wagens auszuloten. Zu Vergleichszwec ken ist es daher besse r zunäc hst m it
dem beka nnte n. in der vcrgangc ncn Rennsaison entwic kelten, Fah rzeug zu beginnen und
erst später ein geä nde rtes Kon ze pt z u tes ten, wenn die Fahre r das Vorjahrsniveau erreic ht
haben [ BI5].
Be i Straße nfahrzeugen werden präge nde Charakter ist ika in nerhalb de r Produkt beschreibung
nach folgende r Rcihcnfolgc festgelegt [BOI ):
Fahrze ugklasse (Größcnklassc, z . B . .Kompaktklassc'')
Fahrze ugvarian tcn (z . B . St ufcnhcck limousi ne 4-tü rig, Kombilimo usine 5-türig)
Aggrcgatcz uordnung (Motor isicru ngsprogra m m, Gctr icbca ngebot)
Fahrzcughauptabmcss ungcn
o Exter ieurdaten ( Radsta nd, Länge. Überhänge, Breite. Höhe, Spurweiten]
o Int cr ic urdat cn ( Längcn- , Brcitcn -, Höhcnmaßc de r Sitzan lagc n, Nutzvo lu mina)
Technisc he Beschrei bung
o Karosse r iebaua rt . Variante nkonzcpt
o Motorve rsionen und Aussta tt ung (z. B. Leist ungs - und Ländervar iantcn)
o Gerriebetypen ( Drchmomc ntklasscn, Automat ikgetriebe)
o Fahrwe rk (Achse n, Räder und Reifen, Lenk u ng, Rcgclsystc mc)
o Techn ische Ausstatt ung (z. B. Klimatisieru ng, elektronische Ausst attu ng, Kraftstoff-
system)
Technisc he Daten
o Gew ichte, Zuladu ngen, A nhängelasten
o Fahrleist ungen
o Verb rauc hs- und Abgasz ielwerte.
Aus der Produkt besc hreibung wird das Las tenheft abgeleitet . Im nächsten Schritt werde n
erste Entw urfsdarstel lunge n z ur Absiche r ung de r gewäh lten Abmess unge n erste llt. Die
Grundlage fiir e rste Stylinge ntw ürfe ste llt das so ge nannte .Hard Point Packagc" dar : Aus
den erforde rlichen Baurä ume n für alle be nötigten Komponenten und tragende Stru kt ure n
sowie aus de m Platzbe dar f de r Insasse n e ntsteht ein Obe rflächengebirge . in de m die Auße n-
haut noch nicht berücksichtigt wird.
2 Aus legu ngsbe re iche
2 Auslegungsbereiche Layo ut sec tions
Die Auslegungs bereic he lasse n s ich beim Pkw grob unte rte ile n [BOI ]:
Innenraum,
Vorderwagen.
Hinter wage n.
Unterbo de n.
Ein ncucs Fahrzeug entsteht im Allgemeinen von innen nach außen. Im Ablauf der Kon-
ze ptentw ieklung ste he n Inne nr aumstud ie n mit Raum- und Ergonomieu nters uchunge n am
Anfang .
Der Ausgangspunkt für die Abmessu ngen des Innenraumes ist die Position der Insasse n
auf den Vorder- und Hintersitze n. Diese werden nach gü nstigen Gesichtspunkten auf den
Sitzen pla tzie rt, wobei fü r d ie Vordersitze ei ne Sitzverst el lung mit dem Extr em vorz usehen
ist. Zu dieser Insassenlage werden einmal die Türmaße und zum ande ren aus de n Augpunk-
ten die Sichtwinkel nach vorn, seitlich und hinten festgelegt.
Bei der Bestimm ung der Sichtfelder ist zu be rücksichtigen, dass alle Dachpfosten zur
Erzielung einer hohen Karosseriesteifigkeit genügend Festigkeit aufwe isen. Ist die Sitzposi-
tion bestimmt, so können auch Lenkrad, Instrum ententafel und Fußhebelwerk fixiert wer-
den, wobei die optimale Bewegungsrichtung z u berücksichtigen ist [B02].
Etwas zeitversetzt z ur Innenr aumgestaltung erfolgen die Ausarbeitungen im Bereich des
Agg regats (Anord nungen Motor. Getriebe, Nebenagg regate. Vorderachse und Lenkstrang.
Berücksichtigung von Sicherheitsmerkmalen wie Karosseriestrukturen. Crash-Dcforman-
o nszo nc n).
Die Konzeptarb eiten im Unte rbodenbereich haben z um Schwerpunkt Getriebe- und
Antriebsstrang. Abgasa nlagcn-, Leitungs- und Karosseriestrukturent w ürfe .
Im Hinterwagen stehen Layouts für Karosseriestru ktu ren. Hinterachse, Tank-, Abgas -
anlage n- und Gepäckra umoptimi er ungen im Vorderg rund. Erste Variantenuntersuchungen.
z. B. zu versc hiede nen Heckausführungen oder Türa nzahl. werde n dargestellt.
~laßde-finit ionen . Die Benennu ng und Definition der wichtigste n Maße eines Fahrze ugs
sind in Europa durch die ECIE (Europea n Car Manufacturcrs Informa tion Exchange Group)
vereinheitlicht, Bilder B-l und B-2 .
B
.-. -- _._.
L1 01
Lj
0
1_
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I
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1& '9
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Wl03
L1 03
Bild B-1 ECIE Exteneurrnaßoetrutcoen.
B Fahrzeugkon zept
m"
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rll I
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U
Bild 8-2 ECIE Inl erieurma ßd efinilion Seitenan sicht [BOl).
Tab elle 8-1 liefert z um Vergleich ein ige Zahlenwert e au sgesu chter Maße von Pkw.
Tab 8 -1 Maßvergleich verschieden er Fahrzeugklassen Maße in mm [BOl)
~e Kompakt Unt ere-
MitteI-
Obere
Ober-
Vans
Mi ttel-
klasse
Mittel -
klasse
Kriteri um
klasse
klasse
Exter ieu rmaße
lange (UD3) 1)
3600- 3800 3800- 4400 4300 -4700 4300 -4700 4700 -5100 4500-4800
Radstand (l101)
2350-2500 2400 -2700 2500 -2700 2500 -2700 2700-3000 2700 -3000
Breite(Wl03)
1550 -1650 1670-1740 1670-1770 1670-1770 1800-1900 1750-1900
Hö he (Hl00)
1350 -1480 1330-1440 1360 -1430 1360-1430 1400 -1500 1650-1800
Bo denfreih eit (H156)
130-150; SUV: ore 200
oteneermase
Fußrau m vorne (L3 4)
960-1080 970- 1080 1000-1100 1000-1100 1000-1100 970-1080
Kopfrau m vor ne (H6 1)
920-1000 940- 1010 9S0 - 1010 950-1010 980- 1020 1000- 10S0
Schulterbreite vorne (W3)
1280- 1360 1340- 1440 1340- 1460 1340- 1460 1450-1500 1500- 1650
Sitzabstand vorne -hinten
680- 760
670-790
730-830
730-830 840-950
850-900
(L50)
Fußraum hinten (L51)
730-920
760 -880
750-920
750 -920 900- 1000
800-900
Kopfrau m hinten (H63)
900- 970 900- 980 91 0-9 80 910-980 9S0- 990 9S0- 1000
Kollerrau mvolume n
200- 460
240-SS0 330- S50 330- SS0 SO O- 600 2S0- 2S00
Fahrzeugbeispiele
I VWPolo I VWGolf I Audi A4
8MWSer Mercedes S I VW Sharan
1) m ( .) Maßbez eichn un g entsp rechend ECIE-Ve remba r ung en
3 Ko nz eptmerkmale
3 Konzeptmerkmale Concept characteristic
Folgende Merk ma le prägen die Char ak ter istik eines Fahrzeugs im Allgeme ine n:
Aggrega tlage: Front-, Hcck-, Mittelm otor, Unt er flura nordnung
Ant riebskonze pt: Front-, He ck-, Allrada ntr ieb
Aggrega teinbau: längs, quer
Anz ahl der Sitzplätze
Komfortausprägungen: z. B. Beinfreiheiten
Stau raumvolumina.
3.1 Aggreg atlage und Antriebskonzept
Engine position and drive layout
Die Lage des Motors und damit des Antriebstra ngs beeinflusst maßgeblich die Bauraumau f
teilung und das Fahrverhalten durch die Achslastve rteilung und die Lage der angetriebe nen
Achse. Von den denkbaren Möglichkeiten sind allerdings nur einige sinnvoll, 8 ild 8 -3.
Zum Allrada ntrieb werden in Kapitel M 6.3 Hautonnen einige grundsätzliche Überle-
gu nge n angestellt.
Front moto r a nord nung front engine design
;\Ierk ma lc. Motor und Getriebe sind verblockt vor der Fahrgastzelle angeordnet (längs
a usger ichtet (nor th - .w uth ) oder quer ei ngeba ut (east -west -installationn. Wasserk ühler und
Klimakonde ns atoren werden davor im Fah rze ugfro ntbere ich platzie rt. Ausftih rungsfor me n
a ls Front-, Heck- oder Allrad antrieb. Diese Moto ra nord nung ist d ie weitvorbreiteste a m
Pkw-Ma rkt.
B
Bild B-3
Mögliche Motor lagen im Fahr-
zeug.
a Frontmotor. eue reinbau
Vorderradantrieb
b Längsm otor vorne. Antr ieb
hinten (Standardanmeb]
c Mittelmo tor , Antrieb hinten
d Heckmoto r, Antrieb hinten
B Fahrzeugkon zept
Ocr Q uerein bau findet sich nur bei Fronta ntr iebsfahrze ugen - bei Heckant rieb wird auf
Gru nd des einfacheren A ntriebsstrangs u nd schwi ngu ngstechn ischer Vortei le ausschließ-
lich de r Längsein ba u angewandt.
Das Transaxlcprinzip (Motor vorne, Getriebe und A ntr ieb hint en) verei nt Vorteile von
Front- u n d Heck motor.
Vor teile . Kompakt e Bauweise mit kurzen Leitungen zu alle n Nebe nagg regate n und zu den
Kühlern . Die Aggregatger äusche sind durch die Stirnwand gut z um Inne nra um abschottbar.
Im Falle eines Fronta lcras hs führt ein f r ühes Anlege n d es Antriebsblockes an de n Stirn-
wandbo reich zu ei ner Entlast ung der Rohba ust rukt ur von Aggregatmassek räfte n. Ein aus-
reiche ndes Ra umangebot für Abgasa nlage (insbcs. Schalldä mpfe r und Katalysatoren) und
Tank ist im Unterboden- und Hinterwagenbereich gegeben.
Bei Kombination mit Frontantrieb ist die gesamte Antriebsein heit mit Vorderachse als
kompakte Vormo ntageeinheit realisierbar und er möglicht neb e n einem flachen Fahrzeug-
tu nnel eine aus reichend hohe Vorderachs last fü r gute Traktionsverhältni sse. Der Vorteil
des Heckantriebs gegenüber dem Frontantrieb liegt in einem sich verst ärke nden Traktions-
potenzial bei zunehmender Zuladu ng im Heckbereich. in Beschleunigu ngsphas en ode r bei
Bergfahrt.
Nac htei le. Im Qu ereinbau wird die Motorgröße beschränkt auf ma xima l 6 Zylinder,
dabei gibt es auch sta rke Restriktionen in der Gerriebeg röße durch beschränk te Baulänge
(direkter Einfluss auf Fahrzcugbrcitc). Das Bemühen um leist ungsstärkere. aber gleichzei-
tig se h r ko mpak te Ag gregate a uch in Längsausrichtu ng (Crashlä ng c) u nterstreicht diese
Prob lem atik. Zusätzlicher Nach teil bei Fronta ntr ieb ist e in ab neh me ndes Traktionspotenz ial
bei steigende r Zulad ung im Heck , in Beschleu nigu ngsp hasen d urc h dy na mische Achslast-
verlagerung u nd bei Bergfahr t.
M it relativ geringem Au fwa nd läss t sich eine allradgetriebene Varia nte bei Fro ntantrieb s -
fahr zeugen mit Längseinbau des Aggregats darstellen , da das längseingebaute Getriebe um
ein Vertei lergetriebe ergä nzt w ird und der A ntr iebsst rang ohne weitere Um lenku nge n zur
Hinterachse erfolgen ka nn.
Die zur Traktion bei Heckantriebfahrzeugen erforderliche Hinte rachslast führt bei dieser
Anordnung z u einer gege nüber de m A ntrie bsblock möglichst weit vorne angeordneten Vor-
derachse . Den noch lässt sich bei Hinterachsant rieb ka um mehr als etwa 50 % Hinterachsla-
sta nteil (im Lee rz u sta nd de s Fahrze ugs) rea lisieren.
Hec km ot o r an ordnu n g rear-mounted eng ine design
;\lerk male. Früher häufiger engewandte Anordnung (z. B. VW Käfer, Renault, Fiat), bei
der ähnlich einer Anordnung mit Fronta ntr ieb Motor, Get riebe und hier die Hinterachse als
e ine Vormo ntageei nhe it im Heckbereich a ng eo rd net sind . Das Get riebe lieg t vor dem in
Längsrichtung eingebauten Motor. Ein modernes Fahrzeug in dieser Konfiguratio n ist de r
Per sehe 911 Carrcra.
Vorteile. Bedingt durch Anordn ung des Aggreg ats hinter der Hinterachse sehr hohe Hin-
terachslastanteil (> 60 %), dadu rch hervor ragende Traktionseige nschafte n. zu nehmend bei
Beschleunigung und Bergfahrt, immer noch sehr hoch bei Zulad ung im Fahrzeuginnen-
ra um oder vorne . Ke ine Wär mebe lastung des Innenra u ms d urch W ärmcabstra hlu ng d es
3 Konzeptmer kmale
Agg regats . Flacher Fah rzeugtunnel (keine Antriebswellen oder Abg asführung). Mit Längs-
einb au des Aggregats ist ein Allra da ntrieb z ur Vorderachse einfach darstellbar.
Nac hrene. Die hohe Hintera chslast erfordert hochwert ige Achskonze pte (vor allem Hin-
terachse) z ur Erzielung g uter Fahreige nschaften. Lange Leitunge n ergeben sich bei Was-
serkühlung mit vorne angeord neten Kühlern für die Kühlung selbst sowie für Heizung und
Klimaanl age. Die Karo sserievariabilität im Heckb ereich wird durch den Raumbeda rf des
Agg regats seh r stark eingeschränkt . Im Raumangebot konkurrenzfähige Kombilimousi-
nen sind nicht mög lich. Schwie rige Gestaltung ei ner optimalen Abgas anlage. Übersreue-
rungstenden z. Seite nwinde mpfindlic hkeit.
:\ I itlel motoranordnung mid engin e design
:\Ierk ma le. Klassische Sportwagenkonfiguration mit Motora nordnung vor der Hinterach -
se. Die Ausrichtung des Agg regats ist dabei sowohl längs (Getr iebe hinter Motor) als auch
quer (analog Fronta ntr iebsque reinba u) üblich. Bed ingt durch den Rau mbedarf des Motor-
Getr iebe-Blocks ist nur eine zwe isitzige Ausfüh rung sinn voll. Monopo sto-Rennwagen (z. B.
Formel I, Formel 3, Formel Renault) sind heute ausschließlich in Mittelmotoranord nung
ausgeführt. Folgender Aufbau hat sieh bei Formel- und Produktionssportwagen durchge-
setzt: Der Motor ist mittragend indem er direkt an die Schottwand hinter dem Cockpit ange-
schraubt ist. Der Motor wiederum nim mt das Kupplungsgehäuse auf, an das das Getriebe
angeschraubt ist. Die Radaufhängung de r Hinterac hse ist direkt am Getriebegehäuse und
ma nchmal auch a m Moto rblock befestigt.
Vorteile . Bedingt durch die Anordnung des Aggregats vor der Hinterachse relat iv hohcr
Hinterachslastanteil (> 52 %), dad urch sehr gute Traktionseigenschaften. zun ehmend bei
Beschleu nigu ng und Bergfahr t, neu tral hoch bleibend bei Zuladu ng. Fah rze ugkonze pt mit
optimalem Fahrdy namikpotenzial durch ausgewoge ne Achslastverteilu ng. Die Wärmeb e-
lastu ng des Innenra ums durch Wärmcabstrahl ung des Agg regats ist nur gering. Üblicher-
weise ist ein Frontkofferraum reali sierbar. Ein zusätzlicher Kofferraum im Heckb ereich ist
möglich , der Fahrzeugtunnel ist flach (keine Antriebswellen ode r Abgasführu ng).
Nac htelle. Vorne a ngeo rd nete Kühle r b ed ingen bei Wasserkü hlu ng la nge Leitun gen für
Kühlu ng. Heizung und Klimaanlage. Die Karosser ievaria bilität im Heck- und Innenraum-
bereich ist durch den Raumbedarfdes Agg regats stark eingeschrä nkt. Daher nahezu aus-
schließlich 2-sitzige Fahrzeuge üblich (a -Sitzigkcit führt zu sehr großem Radstand). Das
bei Längscinbau hinter de m Motor platzie rte Getriebe erfordert lange Schaltseilzüge und
schließt einen Allradantrieb aus, der sich auch mit einem Quereinbau des Aggregats sehr
aufwändig gestaltet. Ebenfalls gestaltet sich die Motorwartung schwierig. Ein Fah rzeug mit
diesem Aufb au ist beisp ielsweise der Pors ch c Boxster.
:\ Iotorraum engine comp arlment
Bei der Anordnung des Motors können folgende Überlegungen hilfreich sein. Zunächst
wird ma n eine gute Zugä nglichkeit zu wartungsinte nsiven Stellen anstr eb en. Außerdem ist
ein Zu- und Abfuhr von Kühlluft filr den Motor und Peripherieteile .Jcbcnsw ichtig" und
muss daher unbedingt sichergestellt werden. Darüber hinaus darf nicht vergesse n werden.
B
B Fahrzeugkon zept
die Lage der Abgasanlage mit eventuell nötigen Abgas reaktoren cinz uplancn. Ein Motor
als mittragendes Eleme nt erleichtert Motora usbau und -cinbau. Ocr Motor muss allerdi ngs
für diese Anforderung geeig net sein . Bei Formel-I-Agg regate n kommt es beispielsweise
während der Beschleunigung z u einem Leistungsver lust von bis zu 50 kW durch die Verfor-
mung des Kurbelgeh äuses unter der Belastu ng [B08].
Kraftstofftank fuet tank
Die Anordnung des Tank s wird beim Pkw durch erforde rliche Crashschutzmaßnahmen
geprägt. Bei Rennfahrze ugen wird eine zentrale Lage bevorz ugt. Dad urch beeinflusst
der Füllstand das Fahrverhalten nur wenig. Allgemein wird bei einem Einsitzer vers ucht
den Tank möglichst kurz zu gestalten ohne den Schwerpunkt anzuheben, wenn der Tank
voll gefüllt ist. Dad urch bleibt Platz in der Länge um den Molar und das Getri ebe für die
gewünschte Achslastve rteilung z u verschieben. Allerdings sind diesem Best reben nach
kurzem Tank Grenzen gesetzt. Für ein bestimmtes Füllvolumen bei einer gegebenen Höhe
wird der Behälter breiter. Das F1A-Regle me nt für Formel-I-Fah rze uge beschränkt bcispicls-
weise die Breite auf'xnn mm.
3.2 Konz eptvergleich Co nc ep t comparison
Tabelle 8-2 liefert einen groben Vergleich unterschiedlicher Fahrzeugkonzepte nach aus-
gewählten Kriterie n.
Tab . 8 -2 Vergleich von Fahrzeugkonzepten [BOl].
Kriterium
Frontmotor Frontmotor Mittelmotor Heckmotor
Frontantrieb Heckantrieb Heckantrieb Heckantrieb
Trak tionsvermögen leer 1)
•
•
H
Traktionsvermögen beladen 1)
•
•
•
Achs konz eptanforderungen
•
0
Innenraumgröße
H
H
0
Kofferra umgröße
H
•
0
Karosserievariabil ität Heckbe reich
H
H
Fahrzeuglänge nbed arf 2)
H
0
-{O}
0
Karosseriestrukturbelastung bei
H
H
Frontcrash
Wärmeeinf luss auf Innenraum
0
•
Geräuschein fluss auf Innenr aum
•
•
0
•
Eignung zum Allradant rieb 3)
+ (++)
H
Gesamtgewicht
H
0
•
•
221
Kriterium
Leitung slängen
Hersteükoste n
3 Konzeptmer kmale
Frontmotor Frontmotor Mittelmotor Heckmot or
Fron tantrieb Heckantrieb He ckantrieb He ckantrieb
B
Legende: ++ sehr gut bzw. sehr geeignet, + gut, 0 mittel, - sch lecht, -- sehr schlecht bzw. ungeeignet
11 Für exakte B ewer tung Berücks ichtigung Steigungs - , Beibwe r t-, Z ulad ungsverhältni sse erforder lich
2) (0) bei Mittelm otor und Moto r einbau q uer statt läng s
31 (++) bei Frontm otor und Mo toreinbau läng s statt q uer
Fahrver halt en und Fah rleistu ngen
Driving behaviou r and dri ving performance
Folgende Größen beeinfluss en da s Fahrve rhal-
ten zum Teil erheblich [B09] und sollen daher
in die Konzeptüberlegungen einfließen.
:\Iasse mas s. Die Masse hat als trägh eitsbestimmende G röße direkten Einfluss auf das
Fahrverhalten und die Fahrleistungen. Mit zunehmender Masse steigen Roll- , Beschleuni-
gungs- und Steig ungsw iderstand an. Die Belastung der Reifen durch höhere Seitenkräfte
nimmt ebenfalls z u. Wenn de r Einfluss der Reifen konstant bleibt, verbesse rt jedes Kilo-
gramm Masse bei Formel I Fahrzeuge n die Rundenzeit um ctwa 0,04 s [BII}. Man rechnet
auch mit einer erforderlichen Mehrleistung von etwa 4 bis 5 kWje kg Mehrgewicht [BI6).
Eine Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs ma cht auch bei Untcrsch rcitung des regle mentbe-
dingten Mindestgew ichts Sinn, weil da nn die Möglichkeit besteht, mit Ballastgew ichten die
Massenve rteilung de s Fahrze ugs Richtung Opti mum vorz u nehme n. Soga r bewegliche Mas-
se n s ind de nkba r, die die Massenverteilu ng für die jeweilige Fah rsituation (Beschleunigung,
Kur venfahrt ctc.) anpassen . Der Tyrell P34 (Formel 1, bis 1977) hatt e einen verschiebbare n
Feuerlöscher an Bord , dessen Lage vom Fahre r beei nflusst werden konnte [B IS}.
Geringe Massc nträghcitsmorncnrc, a lso die Anord nung aller Massen nahe dem Schwer-
punkt, verr ingern die nötigen Kräfte für eine Richtungsänderung de s Fahrze ugs und ver-
bessern so dessen Agilität.
Schwer punktlage. A ntriebsa rt, Radstand und Spur weite centre 01gravny. proputsion,
wheelbase und track. Diese Größen beeinflussen die Fahrstabilität entscheidend.
Schwerpunkth öh e centre 01 gravity height . Die Schwe rpunk thöhe sollte so k lein wie
möglich gehalten werden. Ein niedriger Schwerpunkt hält die Achslastverlager ung beim
Beschleunigen und Bremsen klein und redu ziert so de n Aufwa nd zur Bremskraftaufteilung
vorne zu hinten. Eine extre m geringe Schwerpunkthöhe hilft auch den Güteg rad de r Sei-
tenkraftvert eilu ng hoch zu halten. Ein niedriger Schwerpunkt erhöht auch die Fah rstabilität
beim Bremsen in der Ku rve, siehe Kapitell Brems anlage. Die Schwerpunkhöhe und auch
die Schwerpunktabstä nde zu den Achse n ändern sich im Allgemeinen mit der Beladung.
Achs last axle load. Die Schwerpunktabstä nde und in Verbindung da mit die Achslasten
wirken sich auf die Steuerungste ndenz aus. Mit zunehmender Vorderachslastigkeit wird die
B Fahrzeugkonzept
Unterste ueru ngste ndenz gefördert . Da bei den meisten Straßen fahrzeugen mit zunehme nder
Belad urig die Hintera chslast mehr als die Vorderachslast zunimmt. ist auch vollbelade n hin-
sichtlich Fah rstabilität in den meisten Fällen der kritischste Boladungszustand.
Bild 8·4 zeigt zwar nur für ein bestimmt es Fahrzeug mit gegebener Bereifung auf einer
bestimmten Strecke. wie sich ei ne Vers chiebung des Schwerpunkts in Längsrichtung aus-
wirkt, das grundsätzliche Ergebnis ist aber immer dasselbe: Wird ausgehend vom Optimum
die Achslast hinten geri nger, nimmt die Trak tion ebe nfalls ab und die Runden zeit wird
wegen de r geringeren Beschleunigung schlechter. Erhöht ma n die Achslast der Antriebs-
rüder, wird zwar die Traktion besser, gleichzeitig nimmt jedoch durch die größere Heekla-
stigkeitdie Tendenz zum Übersteuern zu. Das geht so weit, dass sich die Rundenzeit wieder
vom Bestwert entfernt. Es gibt also ein Optimum und dieses liegt zwischen den Extremen
hohe Achslas t vorne und hohe Achslast hinten .
Als A nhaltswert können die mittleren Achslastverteilunge n von Pkw in Abhängigkeit
von der Antriebsart herangezogen werden, Tabdie 8 ·3.
Die Schürze nfahrzeuge der Formel I mit Bode neffekt wiesen etwa 45/55 % Verte ilung
vorne/hinten auf. Der Fahrer saß dabei erheblich weiter vorne als jetzt. Danach wurden
Verhältnisse um 40/60 gewä hlt. Mit den breiter werdenden Vorder reifen des Lieferant en
Miehclin verschob man den Schwerpunkt wieder weite r nach vorne. Manche Teams fahren
so derzeit mit bis zu 46/54 % Achslastaufteilung [B34].
Tab . B - 3 Mittlere Achslastvertei lung von Pkw , nach [B32).
Beladung
Vor derrada nt rieb
Standa rdantrieb
Heckmotor
% vorn
% hint en
% vorn
% hinten
% vorn
% hinten
2 Per sonen vorn
60
40
50
50
42
58
4 Perso nen
55
45
47
53
40
60
70
45
50
55
60
65
Ach slastanteil Hinter achse [\ ]
~
"'btr1~bsa~tteil~ng 45155 1
!
<,
...........
/!
i
i
i
i
208
40
216
';j214
~
•
N 212
c
•~
c
~ 210
Bil d B-4 Einfluss der Schwe rpunk tsl age auf d ie Run denze it in Le M ans [823].
Dieses Simulationsergebnis zeigt. w ie sich die Achs lastve rteilung eines hinte rradgetr iebenen Fahrzeugs
mit der Bereifung vorne 33/65 -18 und hinten 37/71 -18 auf die Runden zeit auswirken , Mit einer aerodyna-
mischen Balance von vorne zu hinten von 45/55 % ergibt sich das Optimum bei 57 % Achslasta nteil der
Hinterachse währ end der Fahrt.
3 Konzeptmerk mate
B
X1
x,
m
,
x21
Bild B-5
Berechnung von Schwerpunktsabständen .
Der Abs tand x des Gesam tschwerp unkts zweie r
Einzelmassen m 1 und mz erg ibt sich aus de n Ab-
ständen de r Einzelschwerpunkte und de r M asse n.
-
,
Die Koordi nat en des Gesam tschwerp unkts beliebig vieler Einzelmassen IIIj ergeben sich aus
dcn Abständen der Einzelschwerpunkte vom Koordinatenu rspr ung. Bild B-5 .
In x- Richtung gilt beispielsweise:
X l'11I1 +X2 '111 1+
x=
1111 + 1111 + ...
X,Xl'Xl
Abstände der Schwer punkte 111
x-Richtung [mm]
111 ,1111.1111 Massen (kg], 111 Gesamtmasse. es
giltalso: 111 = 1111 + 1111 + '"
In z-Richtung gilt diese Gleichung analog mit den z-Abständen der Schwerpu nkte.
Allge mein folgen die Achslasten aus dem Momentengleichgewicht um den Fahrze ugsc hwer-
punkt V und es gilt:
Ir I1IV.f
,
-
=-- =lm
Ir IJIV,r
I=/~b
•
zw.
,
l+i
m
,,
__
i
J
;
AntI' = !OO %-"
-'-
l+im
1
Ant, = 100 %--
I +im
bzw.
1
Ir =1--
l+im
1=/r + /r
I1JV.l = I1JV.f +rIIV,r
Ir, Ir
III VJ bzw. "'V,r
;.
Antrbzw.Antr
//Iv,!
Schwerpunktsabstände vorne bz w. h inten [mm]
Achslasten vorn e bz w. hinten [kg]
Achslastverhältnis vorne /hinten l-l
Prozentanteil der Achslast hinten bzw. vorne [%]
Gesamtgew icht des Fahrzeugs [kg]
B Fahrzeugkon zept
Die sta tische Achs lastvcrtci lung ei nes Fah rze ugs kan n auf verschiede ne Weise ve rä nde rt
werd en :
Verschiebe n einer Achse nach vor oder zurück,
Verschiebe n des Gesamtsc hwer punkt es. etwa durch Lageä nde rung einer Ballast masse.
Kombination dieser Maß nah men.
Dazu kom men im dyna mischen Fall noch sä mtliche aerod ynamischen Maßn ahme n, die
die Radk räfte in vert ikaler Richtung beei nflusse n (Abtrieb, Auftrieb), nebe n Verlage r ungs-
effekte n der Achslasten durch die Trägheit, gcna u genommen durch die Höhe des Gesa mt-
schwerp unkts des Fahrze ugs.
Bild 8 -6 veranschaulicht die Auswirk ung verschiedener Änderu ngen auf die statische
Achslastve rteilung an einem Formel-I-Wagen. Man erken nt daran unter ande rem, dass es
günstig ist, wenn das Fahrze uggewic ht unter dem Mindestgewic ht liegt. Dann bleibt näm-
lich Spielrau m für Ballast masse n. die möglichst tief an der gew ünschte n Lage in Längsric h-
tung angebracht werden können. Natürlich wird man auch in Querrichtung die Ballastm as-
sen zum Erz ielen sy mmetrischer Radlasten nutzen.
Bild B-6
Änderungen der Achslastverteilung an
einem Formel-1 -Wagen.
a Ausgangssitua tion. Die Gesamtmas-
se mv.t beträgt 600 k.g . Die Achslasten
vorne mV ,1 und hinten mV•r ergeben sich
d urch die Lage des Fabrzeuqschwer -
kg punkts V. Der Radstand I ist 3000 mm.
Die Schwerpunktsabstände 11 - 1710
und 'r - 1290 mm liefern ein Achsla st-
verhältnis vorne/h inten von im- 0 ,754;
das heißt von 43/5 7 % Achslastau ttei-
lung.
b Vorderachse um 50 mm nach vor-
ne verschobe n. Der Radstand I ändert
sich entspreche nd auf 3050 mm.
c Hinterachse um 100 mm nach hin-
ten versetzt. Dies ist z, S . durch ein län -
geres Kupp lungsgehäuse oder durch
ein Zwischenstüc k. zw ischen Motor
und Getriebe darstellbar.
d DerM otor wurde um 30 kg erleichtert
und d ie so eingesparte Masse wird als
Ballastmasse vorne (möglichst tief) an-
331,2 kg geo rdnet. Der Abs tand zum urs prüng -
lich en Fahrzeugschwer punkt wird
gleich groß gewählt wie er vorher nach
hinten war. Dadurch ergibt sich eine
neue Lage des Gesamtschwerpunkts
V'. Er w ander t in dem Fall nach vorne.
Der Radstand bleibt unveränder t 3000
mm. Die neuen Schwer punktsabstän·
de 11 und Ir ergeben eine neue Achs-
rastverteauoq.
v
v
v
,.,.. .•~600 kg
I1,=43% 1
1'" 3050
1.=55,2%1
1,=57,7%1
1_-'---_-
kg
I
1__ ---'-' -''''-;:_-
-
-
50 j;
a
270 kg
268 ,8 kg
C
253 ,8 kg
b
'-'---__ '---'-'-__ ~
d
,.,.. .•=258
3 Konzeptmerk mate
Rad last corne r weight , Unterschiede in den Radau fsta ndskr ä ften links und rechts können
schon bei stehende m Fahrzeug auftreten. Wenn diese beeinflusst werden können , da nn ist
der Quer unterschied an der Hinterachse das kleinere Übel [BI5J.
Antrieb sa rt type ofdrive troin . Mit der Überlage rung der A ntriebskraft vergrößern sich
an d ieser Achsc die Sch räglaufwinkcl. Deshalb fördert man bei m Frontant rieb mit dem
Gasgeben in der Kurve auch die Untersteuerungstendenz . Bei Fronta ntrieb mit gleichzei-
tiger Vorderac hslastigkeit kann eine von hinten obe n nach vorn unten geneigte Rollachse
zweckmäßig sein, da sie den bei den deutlich untersteuernd wirkenden Größen etwas ent-
gege nse tz t.
Rad stand wheelbase. Der Radstand stellt den Hebelarm dar. mit dem die an den Rädern
wirkend en Seitenkräfte die Momente bilden, die das Fahrzeug mit seinem Massenträgheits-
moment um die Hochachse in sei ner Spur halten.
Spurweite track . Eine große Spurweite hat fahrdy namische Vort eile. Die Radla stdifferen z
bei Kurvenfahrt wird gemindert und die Kippgrenze erhöht, Das Verhältnis Fede rspur vorn
zu Fede rspur hinten wirkt zusammen mit der Fede rste ife auch aufdie Steuerungstendenz.
denn unter Zug rundclcg ung eines steifen Fahrze ugaufb aus werden bei Seitenneigung die
Radfederwege an der Achse mit der größe ren Spurweite vergrößert. In Verbindung mit
der Federsteife kann wie mit einem Stabilisator die Rollsteifigkeit erhöht und damit der
Schräglaufwi nkel vergrößert werden, Eine größere Spurwe ite füh rt allerdings auch z u
einem breiteren Fahrze ug mit größerer Lufta ngriffsfläche. was den Luftwidersta nd nach-
tcilig verg rößert. Spur weiten reichen von 1220 bei Karts bis 1690 mm bei Sportprototypcn.
Bei Stra ßenfahrzeugen liege n die Spurwe iten zwisc hen 1210 und 1600 mm [B32].
Das Verhältnis Radstand zu Spurwe ite liegt üblicher weise zwisc hen 1,4 und 1.7:
cR,-"cdc'o·"c':::'d~
.:
=-1
.4 ...1. 7
Spurw e ite
Die Bandbreite dieses Verhältnisses reicht von 1 bei Karts bis 2,5 bei historischen Ren n-
fahrzeugen [B33]. Der Wert 1.62 hat den ästhetischen Vorteil de s goldenen Sch nitts [BI7].
Bei den meisten Rennfahrzeuge n ergibt sich der minimale Radstand aus der Forderung.
dass die Füße des Fahrers hinter der Vordera chse liegen. vgl. auch Bild B-15. Die Werte
betrage n 1220 (Kart) bis 3150 mm (Formel 1). Bei Straße nfahrz eugen liegen die Radstände
zw ischen 2160 und 3040 mm [B32].
Grob gilt folgende Einschätzung. La nge, sc hlanke Fahrze uge habe n eine geringe Luft-
angriffsflächc, weisen ei ne große Stabilität bei hohen Gesc hwindigkeiten auf und reagier en
une mpfindlich a uf Störu nge n.
Kurze, breite Wagen dagegen sind auf der Geraden langsamer. verhalten sich nervöser
und sind dad urch agiler auf engen, ku rvenreichen Kursen.
Aus Radstand und Spurwe ite ergibt sich auch eine erste Abschätzung des Wendekreis-
durchmessers in Abhängigkeit vom Radlen kwin kel. Damit kann mit bekannten Kurv enra-
dien von Renn st recke n ei ne Kontrolle durchgeführt werden. ob die gewählten Wert e sin n-
voll sind, Bild B-7.
B
B Fahr zeugkon zept
Bil d 8 ·7 Ermitte ln des Wendekre ises ,
Für geringe Fahrgeschwindigkeiten, o . h . sehr kleine Schräg laufwinkel ist der Pol des Wagens M auf der
Hinterachse . Mit zunehmender Geschw indigkeit wandert der Momentanpol Richt ung Vorderac hse.
Die Ba h nradien ergeben sich a us de n Ab messu ngen wie folgt :
c
.
{
00 =arcstn e-e-
Rs
2
~2
ü
+(Rscosoo+e- - )
2
Rs
RS.r
0,
Rtc.i
"T
bf• b,
R"
a:e
Spur kre isradius [mm]
Spur kre isradius hi nte n
Lenkwinkel des kurve näußeren Rads [0]
Bordsteinradius des Hinterrads [mm]
Rei fenb reite h in ten [mm]
Spurweite vorne bzw. hi nte n [rnm]
Wende kreisradius [m m]
Abstände [mm]
Bei einem Radstand I von 3000 mm und den Spurweiten vorne und hinten von 1490 bzw.
1540 mrn ergi bt sich bei ei ne m Spurkreisradius vo n 7500 mm ein e rforderlic her Lenkwi nkel
am Außenrad von 23,6°. Der kleinste Radius Rtd • den das ku rveninnere Hinterrad um fahrt,
wird dabei 5186 rnrn. wenn der Reifen 346 mm breit ist.
3 Ko nzeptmerkmale
Feders te ife spring stiffness. Ähnl ich der a uf d ie Rad fede rwege w irken den Spurweite kann
uuch mit d er Fede rsteife aufdie Rad lastd ifferen z au fbcidc Räder einer Achse Einfl uss geno m-
men werden. So wird durch steifere Federn, bei Starrachsen auch durch breitere Federspur.
du rch den Eins atz eines Stabilisators oder durc h Zusatzfe dern d ie Rad lastd iffe ren z und de r
Schräglaufwinkel an einer Achse erhöht. Weicher wirkende Federn odc r z . B. Verbundfedern
u nd Ausg leichsfede rn mind ern d ie Rad lastd iffere nz.
Fa h r sta b ili tät drivlng stabiiity. Eine Radstandsvergrößerung fö rd e rt d ie Fah rstab ilit ät. Im
Zusammenhang mit der Bedeutung der Spurh altung der Hinterachse ist es wichtig, d ass ins-
besondere die Hinterachse so weit wie möglich nach hinten kom mt. Umgekehrt treten bei
allen Fahrze ugen, bei denen es hinsichtlich de r Fahrstabilität noeh krit ische Bclad ungsz u-
stände gibt, diese dann auf, wenn sich die Zuladung im Heck anhäuft.
Tr äg heitsmoment moment of inertia. Zu m Trägheitsmoment um d ie Fah rzeuglängsach-
sc : Ein kleiner Wert bede utet, dass dy na m isch ger ingere Radlastunt ersc hiede a uftrete n , die
Fede rn weicher ausgelegt werde n könne n und die Fah rze ugq uern eigu ng sich sch neller de r
Fahrbahnquerneigung anpasst. Ein Untersc hied der Spurweiten wirkt wie alle anderen Maß-
nahm en, d ie einen Unterschied der Rollsteifigke it der beide n Achse n hervor rufen, auf die
Sc h räg laufwinkel.
Elas t e k i ne ma t ik der Achs e n elastocinematics 0/ axles. Hierzu sind alle Einflussgrößen z u
rechnen, d ie die Ste llung der Rad ebe ne gegenübe r dem Fahrzeug u nd de r Fahrba hn beei nflus -
se n. Angewandt wird Sturz-, Vorspur- und Nachlaufä nder ung über de n Federweg. Da beim
Rollen infolge Kurvenfahrt das kurvenäußere Rad ein- und das kur veninnere Rad ausfedert.
lässt sich über die Vorspur- und Sturzänderung de r Rollste ue relTekt erzielen. Elega nte r sind
die Lösu ngen mittels elastischer Deformation bei Seitenkräften. da sie bei Geradeausfahrt
a uf u nebene r Fahrbahn nicht so w ie die Radaufhä ng ungskine mat ik den Geradea uslauf stö-
ren.
Tabelle 8-4 stellt e inige Konze ptpa rameter verg leichend gege nüber.
Ein direkter Vergleich der ei nzelnen Gesichtspunkte ist nicht möglich, weil viele Abhä n-
gigkeiten nichtlinear sind, die Gewichtungen der Einzeleinflüsse untersc hied lich sind und
weitere, nich t gezeigte (auc h gegenseitige) Abhäng igkeiten be rück sichtigt wer de n mü sse n.
Prinzipielle Einflüsse wichtiger Parameter auf da s Fahrverhalte n ze igt Tabelle 8 -5 . Die
Aussagen basie ren au f de n Rechenergebnissen ei nes ei nfac hen Eins pur fahrze ug mod el ls,
geltenjedoch auch für zweisp u rige Fahrzeuge.
B
3 Konze pt merkmale
Tab 8 -5 Pri nzipielle Einflüsse der Fah r zeugau slegung auf das Fahrverh alten 1806J
Auswirkung
Koeffizienten der Seitensteifigkeit
bezüglich des Schräglaufwinkels fl
Einfl ussmerkmal
k,
k,
kM
brei tere Reifen
•
•
'
1 < I, 11 größere Achslast vorne
•
-
härterer Torsionssta bilisator vorne, härte re Aot ca creoe -
-
•
r ung vorne
niedr iger R eifendruc k
-
-
Elastizltäten. Kinematik der Rada ufhäng ung je nach
±
±
Auslegung
mehr kastenförmig, H eck flossen
-
s
•••
e mehr t ropfen förm ig, meist auch kleinerer c w·Wert
•
•
'"
Hinter rad ant rieb 2l
-
Vorde rradantrieb 2)
-
11 Da de r Einfluss der Achslast in kl, k r nicht linear eingeht wird bei einer Verlagerung des Schwer-
punktes nach vorne der Term (kr I, - kI l
l) trotzdem größer
B
2) Der Einfluss d er Antriebs kraft wirk t sich du rch d ie Abminderung
der Seitenkratt d er Reifen bei gleichzeitigem Übertragen von
Umfangs krätten vor all em bei glatter Fahrbahn aus
Auslegungsziel für (stabiles) untersteuerndes Verhalten: (kr Ir - kf 'f) > () und wenn möglich
kM< (J
Seitenk räfte am vorderen und hinteren Reifen durch Sehräglauf wirkend:
Fw .v
.
r=kf'ar Fw.y,r=kr-ar
Luftrnomcnt, das als Giermoment auf den Wagen wirkt:
ML=kM.I'~'S
-r
"rcs resultierende A nst römgeschwindigkeit (= Windgcschw. -
Fahra cuggcsc hw.)
r
Anströmwinkcl der Luft bezogen auf die Fahrtrichtung
Zum Vergleich und zum Einord nen der Größe nverhältn isse einige Zahlenwerte ausgeführter
Fahrz euge siehe Tabell e B-6 und Bild B-H .
B Fahrzeugkonzept
:1
1
Lt
f
,
I
,
j-~:~;1
~'
,- -- $1-
I\"r
.
~J
r-"~
'L
,
1
1
.c
Bild B -8 Haup labmessungen von Rennfahrzeugen .
I Radstand wheelbase
b f Sp urweite vorne front track
b , Sp urweite hinten resr track
1,,1, Schwerpunktsabstände centre of gravily distancas
V Schwerpunkt centre of gravity
LI länge über a lle s totallengt/1
B I Breite über alles width Oller 311
Hf Höhe übe r alles total height
hv Scbwerpunktshöhe ceo tre of gravity heigM
Kippgrenzen Overturmng limit angle. Die Kippgrenze eines starren. ungcfcdcrtcn Fahr-
zeugs wird erreicht. wenn die Aufsta ndskräfte der kur veni nneren Räder Null werden. Da nn
gilt. siehe auch Bild R~9 :
R
//Iv.!
. \'~
Fv .y "" -''7-'-
mit
Fv,Z.t = Fy.y
. !Iv
2
h
Fy.Z
.t
F v.v
lIIy .1
Vv
R
Fah rze ugge wicht [N]
Seitenkraft am Fahrzeugschwer punk t [N]
Fah rzeugmasse [kg]
Fahrzeuggeschwi ndigkeit [m/ s]
Bahnradius [m]
B Fahrzeugkonzept
Bild 8 -9
Berechnungsskizze zu r Kippgrenze.
V Fahrzeugschwerpun kt
FV.Z
.
i ozw Fv, z, o Achsrastenanteü auf de r
Kurveninnen- bzw . -außenseite [N]
h v Schwe rpunk tshöhe [mI
b Spurweite [m]
Fv,v
v
1\ F"'ir >
s:
-
-T-I- -
-
-
--
I-T
-
-
,
I
I
,
,'"
',/,,
. z,c
b/2
b/2 FV,Z,i
F,
Damit ein Fahrzeug tatsächlich kippen kann . muss die entsprechende Seitenkraft von den
Reifen aufgebracht werden. An der Kippgrenze wird dah er ein Rcibwcr l/IKipp in Anspruch
genommen:
,uKipp
für Kippen erforderlicher Reibwert [-]
bfbzw. b, Spurweite vorne bzw. hinten (m]
Bei de n meisten Fahrzeugen kommt es jedoch gar nicht so weit. das s es kirrt. weil die Reifen
schon vorher an ihre Haftgrenze gestoßen sind und zu gleiten begonnen haben. Dcr von den
Reifen übertragbare Reibwert ist in dem Fall: J1W,Y ::; l'~ I(R ' g), Daraus folgt die er reieh-
bare, maximale Kurvengeschwindigkeit ohne Abtrieb zu "v.max = ~IIW,Y . R ' g.
Au f ebener Fah rbahn wird die praktische Kippgrenze du rch elastische Vers ch iebu ng des
Radaufstan dspunktes bei geringeren Reibwert en erreicht. Aerodyna mische Abtriebskräfte
wirke n stabilisierend, versch ieben also die Kippgrenze zu höheren Geschwindigkeiten , weil
sie die Aufstandskräft c de r Räder erhöhen ohne dass die Fahrzeugmasse zunim mt.
Einen zusammenfassenden Überblick über die konstru ktiven Möglichkeiten das Fahr-
verh alten eines Fah rzeugs zu beei nflussen gibt Tabelle B-8.
Anteil etnzetner Baugruppen an den Fahrleistunge n
Es ist zwar schwer die Wichtigkeit ein zel ner Baugruppen isolie rt von an der en festz ulege n
(und dabei den Fahrer gänzlich außer Acht zu lassen), Expertenbefragungen nach den Antei-
len einzeln er Baugruppen am Fahrverhalten bzw. Fahrleistungen ergeben aber folgendes ein-
faches Bild für Rennfahrzeuge [804]:
Reifen
40-50%
Fahrwerk 30- 40%
Moto r
20%
Die Reifen als Verbi ndungselement zwischen Fahrzeug und Fahrbahn weisen also den über-
wiegenden Einfluss a uf. Das Fahrw erk als jene Baugrup pe, d ie die filr dic Kraftübertragu ng
wichtige Stell ung der Reife n z ur Fahrbahn festlegt. folgt als zweitwichtigs te Größe. Der
Einfluss des Motors ist dabei gar nicht so wichtig wie allgemein a ngenomm en . Eine hohe
Motorlcistu ng ermöglicht all erd ings erst ei nen hohen Abtrieb. Das ist der eigentliche Vorteil
eines .. übermotorisierten- Fahrze ugs. Die mögliche Höchstgeschwindigkeit auf den (relativ)
3 Konzeptmer kmale
Tab . 8 - 8 Kons truktive Einflüsse auf das Fahrverhalten, nach IB41]
B
8augruppe
Gesamt-
fahr zeug
Reifen
Achsen
Radträger
Lenkung
Bremsen
Antr iebs-
strang
Regel-
systeme
Kon zept- bz w . Konstruktionsparameter
Radstan d. Spu rweite. Achs lastverteilung, Schwe rpunktlage, Mas sent rägheit smomente
des Wagenkas tens
Ant riebskon zept und Ant riebsmomen tenver teilung (Allrad)
Aerodynamische Eigenschaften (v. a. im Hochgeschwindigkeitsbereich)
Dmensicrue runq von Rad und Reifen
Ausführung der Reifen und evt Profiigesta llung
Schrägla ufsleifig keit
Achs konzept und -ausführu ng
Ausführ ung und Abst immung von Federung, Stabnsierunq. Dämpfung und zusetz te-
dem
K inematik de r Achsen (Längs - und Seitenk raft lenken)
Längs - und o o ereastettä ten von vorde r- und H interachse
Nic kkinem ali k de r A chsen (Anfahrstützwinkel: Anti-Squat, Bremsn icka usgleich: Anti-
Dive)
Wankk inemati k der Ac hsen (Lage Wankachse, Wankabslützung dur ch Fed er u ng,
Zusatz fed ern, Stabi lisierung und Dämpf ung)
Verteilung de r Wankabstützung zwischen voroer- und Hinterachse
Nachtautwin kel. - enecse . - ver satz, Spre izung , Spur usw,
Raderheb ungs kurven und Ände rung de r Radste ilung beim Federn
Konzept und Au sführung Lenksystem, Ausführung Lenkgetriebe
Statische und dynamische Lenkübe rsetzung
Lenkungscha rakterist ik (Lenkmomen te, Ubersetzunq)
aasuntäten Träghe itsmome nte und Dämpf ung im Lenkungss trang
Störk ratthebelarm. Lenkrollradius . Anordnung der Spu rstangen (Pfeilung)
Aus legung kinematische Lenkruc kstenunp (Nachla uf. Spreizung)
Gegebenenfa lls Baua rt und Le nk ungs kennfeld einer Lenkunterstü tzung
B remskonz ept. -d imensionie runq und - ausführung
B remsk raftverte ilung
B remsbel ag ch arakte ristik
Anordnung der Agg regate und de ren Lage rung bzw. Befestigung
Bastizrtäten und Dämpfung des Ant riebsst rangs
Motorc harakter istik (Momen tenverlauf, Schleppmoment-verlauü
Getriebeüberse tzung
Länge und Torsionssteifigkeit der Antriebswe llen
Sperrcharak ler istik der Differenziale
Charakterist ik der Fahrbed alb etätigunq
Star treqelunq (Launch-Control)
Ant riebsschlupfregelung (Traklionsre gelung)
Getriebesteuerung
Ant iblocki ersystem (ABS)
Vernetzung von Regelsystemen
kurzen Geraden üblicher Rennstr ecken w ird von solchen Wagen auch mit geringe rer Motor-
leistung er reicht.
Über d ieser Rangordnung müssen die aerodyna mischen Hilfen ( Flügel, Unterboden ,
Keilform, . . .) als wichtigste Komponenten gesehen werden, weil diese die Wirkung ein-
zel ner Baug ruppen bei hohen Fahrgeschwind igkeiten verv ielfachen. Für die gewol lten
135
BFahrze ugkonzept
Luftkräfte zeichnet die Baugruppe Rah men bzw. Chass is verantwo rtlich. In einer solchen
Gesamtbetrachtung. w ie sie für sehr schnelle Fahr zeuge realistischer ist, sieht die Auftci -
lung wie folgt aus [B27]:
Chassis 50 %
Reifen 35%
Motor 15%
Rechneri sche Simulationen bilden die Wirklichkeit zw ar nur bedingt ab, da für lassen sich
Ein flussgröße n leichter isoliert bet rachten. So br ingen solehe Untersuchungen von Rundsire-
ekenrc nnen mit Sportwagenprototypen ähnliche Aussagen. Sie zeigen den größten Einfluss
auf die Rundenzeit filr die Reifenh aftung. gefolgt von der Fahrzeugmasse. Geringeren Ein-
fluss zeigt die Motorleistung. Den geringste n Einfluss weisen Luft w idersta nd und Abtrieb
auf, Bild 8 -10.
Dieses Diagramm lädt auch zum Nachdenken überdie Bedeutung der oft zitierten Motor-
leist ung ein. Für die Verbesseru ng der Runden zeit ist die Leist ungssteiger ung d ie drittwirk-
sams te Maßnahme. Einmal abgesehen davon wie schwer eine lO-prozentige Leistungserhö-
hung ist, versc hlechtert sich dabei der Kraftstoffverb rauch um knapp 6 % . Das ist besonders
bei Langst reckenrenne n eine detaillierte Betrachtu ng wer t, wo Ta nkstopps rcnn cntschci-
dend sein können. Die höhere Motorleist ung ermöglicht auch eine deutliche Steigerung der
Höch stgeschwindigkeit. Trotzdem wird man bei allen erforderli chen Kompromiss en die
Kombination von Verbesserungen wählen, mit der der Wagen am schnellsten im Ziel ist. Die
rei ne Höchstgeschwindigkeit wirdja bei kei ner Veranstaltu ng prä miert. Darüber hinaus darf
man nicht vergessen, dass die maximale Motorleist ung auf einen Betriebspu nkt bezogen ist.
Tatsäc hlich wird auch ein Rennfahrzeug in der Teillast und in Übergangsbereichen betric-
Ver brauch
o
Tops pe ed
•
•
N
::-
c:J Luftwiderstand
•
Abt r ieb
ea Haftung
r::3 Lei st ung
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Runde nze i t
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~-1
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•c
Bil d B-10 Einfluss einer Parameterverbesserung um 10 % auf Runcenzert, To pspeed und Krattstott -
verbra uch [8 19]. Diese Simu lation wu rde für das 24-S tunden-Rennen von Le Mans für Sport wage npro-
totypen gemacht. Die Runden zeit ist generell für Rennfahrzeuge das wicht igste Kr iteriu m und da sind
hoher G rip und ger inge Masse wicht ig. Wird d ie M as se um 10 % r eduzier t, verringe rt sich die Rundenzeit
um 2.26 %. Die Mo torleistung folgt an dritt er Stelle de r Wich tigkeit, bew irkt aber auch eine ma rkante
Verschlechterung des « rattstotrveroraucns .
3 Konzeptmer kmale
ben. Daher ist d ie Fahrba rkeit des Motors (Gasa nnahme, Zusa m menhang Fahr ped alstellung
-
Drehmom ent aufba u usw.) ein wesentl iches Kriterium bei der Motorene nt wicklung und
gewinnt sogar an Bedeutung, je stärker der Motor ist oder genauer gesagt je überforderter
die Reifen sind.
Ande re Sim ulatio ne n z eigen weiter, dass d ie Wichtigkeit ei nzelner Größe n vom Strec ken-
verlauf abhängt . Das äußert sich unter anderem darin, dass das Setup desselben Wagens auch
für gleiche Wetterverhält nisse nicht für alle Strecken gleich ist. Es gibt um zwei Extreme
zu nennen auf der einen Seite langsame, kurve nreiche Strecken und aufder anderen Seite
Hochgeschwindigkeitskurse. Für Sprint rennen wiede rum ist die relative Wichtigkeit einzel-
ner Baugruppen anders als auf der Rundstrecke.
Für Rallyefahrzeugen gibt es zwar große Unte rschiede , was die Umstände im Renne n
betrifft - es sind viel mehr Improvisat ionen als auf de r Rundstrecke erfo rde rlich, es gi bt kei-
ne fixen Wartu ngsstelle n, im Gege nteil: Das Ser vicete am mus s m it de n Fahrzeugen mitz ie-
hen us w, - abe r kaum welche. was die Fahrleist ungen betrifft. Die Einflüsse de r bek ann ten
Krite rien nehmen nach folgender Reihe ab: Reibung (Gr ip), Masse, Motorleistu ng. Ga nz
ger ing ist de r Einfluss von Luftw iderstand und Abtrieb [ B39]. Diese Aussage ist zude m
relat iv strecke nun abhä ngig . Allerdings wird ein größere r Einfluss des Fahre rs a uf d ie Fahr-
zeit festgest ellt als a uf der Rundst rec ke. Bei Rallyefahrze ugen wird der Zeitgewin n/St recke
[s/ km) als Vergleichswert he ra ngezoge n.
Im Fahrve rsuc h erweist sich ei n mögl ichst neutrales Fahrver halten bei Sportwagen f ür
Slalomtest (30 m Pyloncnabsta nd) als opti mal [B05]. Dieselbe Aussage gilt a uch für Rund -
st reckenre nne n mit höchsten Gesch wi ndig keiten, wie etwa die 500 Meilen von lndi a na -
polis , [B2 1] . Diese Aus legu ng e rmög licht die größt en Kurvengeschwindigkeiten bz w. d ie
größte n Querbeschleunigungen. Nachteilig wirkt sieh dabei das Fahren im Grenzbereieh
a us. Das Fahrzeug reagiertletz tlieh doc h über- ode r unte rste ue rnd in Abhäng igkeit von der
Fahrgeschwindigke it (Abtr iebsa ufte ilung), Rcifcnlauffcist ung, Sta bil isatore instellu ng usw.
und ist f ür den Rennfahrer daher nahez u unberec he nba r. Ein eindeutiges, gleich bleibende s
Verhalten, wie unter- oder übersteuernd, erleichtert das Erkennen des Grenzbereiches und
dam it das Halten der Ideallin ie.
Soll ein Fahrzeug mit möglichst großer Geschwindigkeit eine Kurve durchfahren können,
so ist es am bes ten, wenn das Seite nkraft pote nzial von vo rder- und Hinte rac hse gleichzeitig
und gleichermaßen a usgeschöpft wird . Das heißt bei einer a usbala ncierte n Gewicht sver te i-
lung zw ischen den Achsen von etwa 50 :50 %, dass die Schräglaufwinkel de r Reifen bei
unbesehle unigter Fahrt annä hernd gleich sind. Tatsächlic h ka nn nicht ein bestimmtes, kon-
sta ntes Eigenlenkverhalte n das Opti mu m sei n, sonde rn ein sich absc hnittsweise ä nderndes.
8i ld 8 - 11 zeigt ei ne n de nkbare n Verlauf eines Eigenle nkve rhaltens bei Kurvenfahrt in
Abhä ngigkeit von der Längsbeschleu nig ung. Die Kurve wird von Absch nitt I nach 7 durc h-
fa hren . Kurvenei ngangs beim A nbremse n de r Kurve verhält sich de r Wagen unte rsteue rnd ,
a lso stab il. A m Kurvensc heitel 4, die Phase mit der g rößten Q uerbesch leunigu ng (und des-
halb keiner Längsbeschleuni gung wege n des aufgebrauc hten Reife nkraftpotentia ls), verhä lt
sich das Fahrzeug neutral und beim Beschleunige n aus de r Kurve heraus unterstützt ein
leichtes Übersteuern das Gie ren des Fahrze ugs. Für Serienanwendungen wäre eine solche
Aus legu ng unbra uchbar, weil sie instabile Fahrzustä nde e nthä lt. Es bede utet z ugleich aber
auc h, dass an den Fahrer für so lch ei n Wettbewe rbsfa hrze ug wese ntlich höhe re Anfo rde-
rungen gestellt werden als den Durchschnittslenker.
B
B Fahrzeugkon zept
7
23456
Stre ckenabs chni tt
•<
LL
••
~,
<•
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•
<
•
L
L.
·,
D.
" ~ ~~'Ft-d
Bil d 8 · 11 Idea les Eigen lenkv e rha lten eines Rennfahrze ugs beim Durchfahren einer Kur ve, nach [824):
Der Beschleunigungsver lau f (oben} u nd d es Eigenlen kverh alten (unten) sind ü ber d en Abschnitten einer
Kurve (rechts) aufgetra gen.
Zusamme nfassend aus den obigen, teilweise auch theoretischen Überlegungen fuhren fol-
gende gru ndlegende Merkm ale zu hohen Fahrleist ungen [B03]:
n ied riges Fahrz e uggewicht.
hohe Motorleistung bzw. niedr iges Leist ungsgewicht (z. B. in kg/kW).
hoher Übertrag ungswirkungsg rad im A ntr iebsst rang,
große Aufstandskraft der Antricbsrädcr während der Beschl eunigung,
breite Reifen, besonders für die Antriebsräder,
Reifen mit sehr hohen Reibungsbeiwerten,
aerodynamische Abtriebshilfen.
An den Fah rleistu ngen hat die Fahrgeschwi ndigkei t v durch die Wirkweise aerodynam ischer
Hilfen einen wesent liche n Einfluss, Bi ld B-I2 .
Bi ld B-13 verg leicht die Fahrleist ungen über mehrere Epoch en von Formel- I -Wagen. Die
älteren Fahrzeuge hatten noch keinerlei Abtriebshilfen und Reifen mit wesentlich weniger
Haftung. Diejüngsten Fahrzeuge erzielen ihre enormen Fah rleistungen in erster Linie durch
die Wirku ng der Aerodynamik. Man erkennt auch, da ss aerodynamische Hilfen erst ab etwa
100 k m /h deu tliche Verbesseru ngen br ingen.
Die de rzeit erreichbaren Maximalwerte liegen beim Bremsen bei - 5,1g, beim Beschleu-
nigen bei 1,8 g und bei Kur venfahrt bei über 4 g. Ohne aerodynamischen Abtrieb sind
in sämtlichen Richt ungen je nach Reifen und Fahrbahn kaum mehr als 1,4 g zu erzielen,
Tabelle B-9 .
Der Einfluss der Motorleistu ng auf die Fah rzeuglängsbeschleunigung kann analytisch
überschlägig dargestellt werden. Nimmt ma n an, der Motor werde bei Einsatz eines gest uf-
ten Getriebes bei ma ximaler Beschleunigung im zeitlichen Mittel mit 50 % seiner Nennlei-
stung betrieben, so ergibt sich [B25]:
3 Konzeptmerkma te
v
B
-
,
ae chtakurve
.)
a,
I
I
0.-
'-"' :":
a,
Bre msen
l inkskurve
b)
-3
.a
-,
•
L!ngsbeschleunigung
e. laI
Bil d 6 -12 Grenzen der Fahrbarken eines Re nnt abr zeu qs (g-g -v-Diagramm). nacf [826] .
Der dreid imensionale Kö rp er (B ild a) umschl ießt den fahrbaren Be reich (a~. 3 y) in Abhängigkeit der Fahr-
geschwindigkeit v. Man erkennt, dass mit zunehmende r Fahrgeschwind igkeit d ie Que rbesch leunigungen
ay und die negat iven Längsbeschleunigungen 8x zunehmen . Die Wirkung des Abt riebs macht sich be -
merkbar. D ie Ma ximalgeschwind igkeil vmax ist erreicht, wenn die Anlriebsbeschleunigung 0 w ird .
Bild b) zeigt einen Horizontalschnilt d urch d iesen Körper bei hohen Fahrgeschwindigke iten (g-g-Dia -
qramrn). Oie strichlierte Lini e e rgib t sich be i einer Beschränkung de r Bremslerstunq. Zusätz lich ist eine
kombin ierte Bewegung einge tragen . Eine B rems unp in eine r Rechts ku rve. Damit das Traktio nsvermögen
de r Reifen n icht übe rsch ritten w ird , m ü ssen sowohl die Que rbes ch leunigung als auch die Bremsverzöge-
rung gegen über den Ma ximalwerten zurückgenommen werden .
Tab. 6 -9 Fahrleistungen von Rennfahrzeugen.
Fahrzeu gk at eg orie
Längsbeschleunigung
Querb esc hleunig ung
Ant reiben
Br emse n
Forme ll [B04 ]
ce.ac
ca. 5g
ca.3,59
Formel 3
1,25 9
3,29
3,259
Spo rtwagen [B0 5]
0.7bis19
Spo rtprototyp [B23]
1g
3g
2,5 g
Tourenwagen, ohne ABS [B07]
l,5g bis 2g
1'2
11
end' I V.dr
12900' Pmax
'.
m Y.dr
v,od
Pmax
Be schleu n ig u ngszeit lsl
Fahrzeugmasse mit Fah rer [kg]
Endgeschwindigkeit [km/h]
Motornen nleistung lkW]
Man erkennt in obiger Beziehung auch, da ss die Masse des Fahrzeugs de n gleichen (line-
aren ) Einfluss auf die Beschleunigungszeit hat wie die Motorne nnleistung.
B Fahrzeugkonzept
v [kmfh)
a, 191
W111 ialls
FWI5
_
'
Lotus
_
_
~
Ue rcedes
W196
a
o
a
a,s,
a, [9)
Bild B-13
Vergle ich der Fahrleistungen von Formet-t-
Fahrzeugen. nach [8 26]:
DasFahrzeug ohne Abtriebshilten (Mereedes
W196) zeigt als ein zige Verände rliche prak-
tisch nur abnehmendes Beschleunigungs -
verm ögen m it zunehmender Fahrg es chwin-
digkeit. Der Lotus 72 war das erste Fahrzeug
m it Bodenef fekt. Der FW15 von wutarns
steht für ei nen zeitge nössischen Wagen.
Bei den beiden Fahrzeugen mit diversen
aerody namische n Hilfen (Flügel, Unterbo-
den, .. ) nehmen die Fahrleistungen ab etwa
100 km/h merkli ch zu,
4 Konzeptionierung Gesamtfahrzeug
Lay out of overall vehic/e
Die obe rsten Ziele einer Rennfahr zeugentwicklung ergeben sich aus den Überlegungen der
vorigen Abschnitte. Das sind physikalische Bet rachtungen zu extremen Fahrmanövern und
diese sind u nabhängig vom Reglement [B20]:
minima les G ew icht,
max imale Ste ifigkeit des Rahmens und der Radaufh ängungsteile.
ger inge Massenträg heitsmomente, vor alle m um die Hochachse.
hohcr aerody namisc her Abtri eb,
ext rem tiefer Schwerpunkt.
stabiles Fah rve rhalten. vor a llem in Überga ngsphasc n wie Anbrcmsc n und Beschleunigen .
Diese Punkte möge n naheliegend w irken . Der unterschi edlic he Erfolg ausgeführ ter Renn-
fah rzeuge ergibt sich letztlich doch aus der Summe ihrer Eigenschaften und dem G rad der
Annä herun g an d iese Idealauspräg unge n.
Weitere Ziele ergeben sich durch den geplante n Einsatz des Fahrzeugs (Langstreck c,
Sprint. Rallye , Kundcncin sa tz). Beispielswe ise kann d ie a ngepeilte Le be nsdaue r zwi schen
wenigen 100 m (Dragster) bis zu 6000 km (24 Stunden von Le Ma ns) liegen. also sehr unter-
schiedlich sein. Die Zuverlässigkeit innerhalb diese s Zeitraumes ist ebenso ein Ziel wie die
einfache Repa raturm öglichkeit. Rep a rat ure n und Wartu ngsarbeite n werden zu m Te il au ch
während des Renne ns und womöglich von der Fah rzeugbesatzu ng durchgeführt. Bei Raid-
Be we rben ist ein Reifenwechsel in der Wüste für Fahrer und Beifahrer durcha us nichts
5 Rahmen (Chassis)
6 Vorde re Rad aufhängung
7 B ug mit Crashe lement
4 Konzeptionierung Gesamtfah rzeug
Außergew öhnlic hes . In eine m solchen Fall ist die Anordnung u nd die Befes tig u ngsrech-
n ik von wa rtu ngsi ntensiven Te ilen ebenfalls ei n entsc heidendes Krite rium. ln de r Form el I
erfolgt ein Reifenwechsel in 3 s. Die Montage einer anderen Nase benötigt 1I s. Für einen
Motorwechsel in der Box werden 45 bis 60 min anberaumt, filr ein Getrieb e 30 min. Bei
Langstreckenrennen ist das rasche Tausche n von Syste men, wie Moto r, Get riebe usw. noch
entsc heidender. Deshalb empfiehlt sich ei n modularer Aufbau des Fah rzeugs . Dabei sind
die Mod ule, Funktionsg ruppen und die A nza hl der Schnittstellen zwischen ihne n möglichst
klei n bzw. sind die Ansch lüsse so ange ordnet, dass alle in eine r Bewegu ngsrichtung getrennt
und verbunden werden können.
Bild B -14 W icht ige Baugr uppen eines Rennfahrzeugs .
1 Hintere Rad aufhän gung
2 Antnebsstranq: Getriebe. Kuppl ung
3 Motor
4 Kühlsyslem
Die Schritte der Entwu r fst ät ig keit ergebe n sich hau ptsäc h lich a us d em Einfluss ei nzelner
Baug ruppe n auf die Fahrleistungen, sowie aus der Überleg ung, dass der Fah rer nur in ergo-
nom isch günstiger Haltung ausda uernd Höchstleistu ngen erb ringe n kan n, und natürlich
dem (unumstößlichen) Reglement. Folgende r Ablauf beim Entw urf lässt sich aus diese n
Betrachtungen ableiten. Die Reihenfolge der Betrachtu ngen wird teils durch Wichtigkeit,
teils d urch geo metrische Logik diktiert. Natürlich lässt sich, wie im mer bei eine m Kon-
st ruktio nsprozcss, nur ei ne grobe Abfolge angebe n. Es wird tat sächlich z u Iterationen kom-
men, d . h . immer wieder wird ein Schritt (oder auch mehrere Schrille) zurück erforderlich
werden, um Erkennt nisse, die sich beim Entw urfeines aufba uenden Teils ergeben haben, in
de n vorangegangenen einfließen z u lasse n.
I. Regleme nt,
2. Fahrerposition,
3. Hauptmasscn ve rteilung : Motor- , Gctricbc- , Tank- und Wärmetauscherlage. Damit ver-
knüpft ist die Auswa hl eines Motors mit Getriebe,
4. Rad sta nd , Spurw eite : Grobe Achslastverteilu ng,
5. Reifen,
6. Räder ,
B
B Fahrzeugkon zept
7. Außenhaut unter aerodynamischen Aspekten: Abtrieb, Luftwiderstand, Kühl- und Vcr-
brcnnungsluftfil hruog,
R. Fahrwe rkgeo met rie: Roll zent rum, Mome nta npol Einzel rad. Polab sta nd Einzelrad .
9. Naben,
10. Bremsen ,
11. Radträger.
12. Aufbaufeder n.
13. Dämpfe r,
14. Stabilisatoren,
15. L enk ung,
16. A ntr iebs1ra ng,
17. Rahmen ,
18. Hilfssystem e: Kraftstoffsystem. Elektrik , Verschlau churig ...
Den Beginnder Konzeptüberlegungen macht also ein eingehendes Studium des Reglements.
Es dient der Sicherheit und der Wett bewerbsgleichheit und schränkt dadurch viele Bereiche
des Fahrzeugs mitunter erheblich ein . Dennoch liegt gerade deshalb oft der Schlüssel zum
Erfolg gc nau in diesen Bereichen. weil man sich die für Wettbewerb svorteile erforderlichen
konstruktiven Freiräume durch gewiefte Auslegung der Vorschriften schaffen kann .
Bild B-15 Entwurf der Hauptabmessungen eines Einsitzers.
Die Füße müssen aus Sicherheitsgründen hinte r der Vorderachse bleiben. Die Achse selbst kann also in
Relation zum Fahrer nur nach vorne gescho ben w erd en, Die Gestalt des K rattstottranks schmiegt sich
an den Fahrerrücken an und soll mög lichst kurz sein, damit der Motor- Getriebeverband so verscho ben
we rden kann , dass d ie gewünsch te Achsl astvertei lung erreicht wird , Der M otor soli aus diesem Grund
ebenfalls kur z sein. Das Getriebe wi rd möglichs t schlan k ausgeführ t, damit die Luftst römung im Heck be-
reich des Fahrzeugs wenig gestört w ird.
4 Konzeptio nierung Gesamtfah rzeug
Die weitere Reihenfolge ka nn beim Entwurf basierend auf einem bestehenden Fahrze ug
anders aussehen, besonders dann , wenn bestehende Baugru ppen übernomm en werden oder
wenn Entwieklungsschwerpunkte gesetzt werde n und erkannt e Schwachstellen ausgemerzt
werden sollen. Weitere Verschiebungen in der Reihenfolge ergeben sieh durch die Wichtig-
keit der Aerody namik. Bei Fahrze ugen, die ge ringe re Geschwindigkeiten erzielen oder bei
denen Abtriebshilfen nicht erlaubt sind (etwa Formel Ford]. wird die Außenhaut eher am
Schluss soz usagen als Abdeekung der Konstru ktion betrachtet werden. Ist der Rahmen eine
CFK-Schale, die gleichzeitig Teile der Außengestalt unter aerodynamischen Aspekten bein-
haltet, wird auch diese Baugruppe frü her betra chtet werden als in der obigen Aufzä hlung.
Die Kunst besteht also in einer geschickten Anordnung s ämtlicher Teile und Baugruppen,
das so gena nnte Packeging. Dass dies nur mit Kompromisse n erfolgen kann, versteht sieh
von selbst. Die Frage ist immer nur, welche Funktion wird gegenüber einer anderen wichtiger
eingestuft. Es wird also kaum die eine, " beste Lösung" für eine Problemstellung geben. Wei-
ters kann sich eine in einer Rennklasse bewährte Lösung bei anderen Fahrzeugen als untaug-
lich erweisen. Dennoc h lassen sich gewisse allgemeingültige Erkenntnisse festhalten.
Bil d B-16 Aufbau eines Formelwagens.
Der vorhan den Plat z ist gut ge nutzt , wobei die Aerodynamik d ie äuße re Gestalt v orgibt (Unterboden, Fah -
re rposition, Ans tröm ung Flügel). De r Tan k i st zent ral hinter dem Fah rer angeo rdnet. Die Verb rennungs luft
strömt über dem Fah rerhelm zum t ief liegenden Motor,
Sym metr-ischer Aufbau. Ein sy mmetrischer Aufba u ergibt bessere Ausnutz ung des vorha n-
denen Platzes und erspart unter anderem Überführen von Leitungen von einer Fahrzeugseite
zu r ande ren [BIß]. Auch die stat ische Radlastvert eilung links zu rechts ist so ausgeglichener.
Ebenso wird sich dadurch eine sy mmet rische Außenkontur ergebe n, die Giermome nte her-
vorgerufen dur ch Luftkräfte vermeidet. Dies ist bei einem Monopesto naturgemäß leichter
zu erreichen. Bei Sport- und Tourenwagen wird versucht den Fahrersitz zur Fahrzeugmitte
hin zu verschiebe n, wenn es das Reglement gestattet. So wurde im C-Klassc Mercedcs dcr
Saison 1995 der Deutschen Tourcnwagen-Meisterschaft (kurz DTM) Getriebe und Kardan-
welle versetzt eingebaut und der Fahrer saß näher der Fahrze ugmine . Das ist eine ähnli che
Lösung, wie sie Jahrzehnte davor für den WI54 (1938) gefunden wurde [BI3].
Einzelschwer punkte. Schwere, räumli ch nicht trennbare Einzelteile (Motor, Wellen,
Kabel, ... ) solle n möglichst tief und nah a m Fahrer angeordnet werden .
Teile, die " unverrückbar" sind (Motor, Getriebe, ...), sollen möglichst leicht konstru iert
sein. Mit Ballastma ssen ka nn de r Wagen auf die geforderte Mindcstrnassc und vor allem auf
die gewünschte Massenverte ilung getrimmt werden. Der Bereich unter den Fahrerbeinen ist
gut gee ignet für relativ sc hwere Syste me wie Elektr ik-Teile (Batte rie , Kabel , ,..) .
B
B Fahrzeugkonzept
Bild 8·17 Layout eines Renn fahrzeugs (Saub er- M erc ed es C9) [81 3].
Ein we itgehend symmetrischer , m ö glich st t ief angeordneter Moto r ist vo r dem Get riebe eingeba ut u nd
som it nah e de r Fahrzeug milte. Die Räder stellen die äußerste Fah rzeugkon t ur da r. Die be ide n Abgastur -
bo lade r sind t ief e ingeba ut.
Kraftstofftank. Der Tank für das Kraftstoffsystem soll möglichst zent ral liegen. So liegt
er geschützt und seine unvermeidl iche Ände rung der Masse während des Rennens hat den
geringsten Einfluss auf das Fah rverhalten.
Klein es G esa mttr äghelts moment. Die schweren Massen sollen um de n Fahrer angeordnet
werden . So bleiben die Massenträgheits momente (vor alle m um d ie Hoch- und Längsac hse)
gen ng.
Eins tel lba rkelt. Bei ve rstel lba ren Syste me n (Feder. Dämpfer. Stabil isato ren, Flügel,
Gct ncbc rads ätzc, .. .) die Einst ellele me nte (R ändclrädcr, Schrauben, Bolz e n. Venti le. .. .)
so anordnen, dass diese ohne Zer1cgungsa rbeiten (oder wenigstens unter einer leicht ent-
fern ba re n Abdecku ng) am stehe nde n Fahrzeug erre icht werde n können .
Weitere Schritte de r Konzep tionier ung:
Abschät z ung de s Fahrze uggewichts und der Achslast verte ilunge n. darau s abgeleite t
Auswahl de r Rad- und Reifendime nsionen (Trag fä higkeit),
Berec hnunge n de r Fah rleistu ngen ,
Grobschätzung des Kraftstoffverbrauchs. Aus der geforderten Reichweite abgeleitet
Bedarfse rmitt lung de r Kra ftsto fftank g röße,
Aus de n z ulässigen Beschleu nigungswert en der Insassen Ermittlung der erforderlichen
Crashdeforma tionslä nge n.
5 Allgemeine Konstruktio nsp rinzipien b eim Entwerfen
Abschließend zum Konzept eine Erkenntnis, die sich aus dem Studium bedeutender Kon-
zepte ergibt. Erfolgreiche Fahrzeuge und Motoren zeichnen sich selten durch hera usragende
Einzelmerkmale aus, sondern wirken auf den ersten Blick fast entt äuschend einfach. Bei
näherer Betrac htung entd eckt man ei ne geschickte Kombi nation bewahrter und bekann -
ter Lös ungen. Umgekehr t führt das Überbewerten eines einzelnen Kriteriums auf Kosten
anderer erfahrungsgemäß zu einem Fehlschlag.
5 Allgemeine Konstruktionsprinzipien beim Entwerfen
Prineiples ot embodiment design in general
Bestimmt e Zwänge ergeben sich aus der Kosten- und Termin situat ion und den Fertigungs-
möglichk eiten ei nes Unternehmens. Trotzdem lasse n s ich allgemein gült ige Konstru ktions-
prinzipien nennen, aufdie beim Entwurfvon Fahrze ugen und derer Komponenten zurück-
gegriffen werden. Ziel ist es injedem Fall, den gestellten Anforderungen innerhalb der wirt-
schaftlichen, zeitlichen und sonstiger Projektzwänge gerecht zu werden. Dabei können nicht
alle der nachstehenden Prinzipien zugleich angewandt werden . Ein Prinzip kann bei einer
Aufgabenst ellung ma ßgeblich sein, andere sogar wider sprü ch lich. Welche Pri nzip ien z um
Einsatz komm en, hängt von den A nforder ungen und Rahmenb eding ungen ab. So soll sieh
eine Feder elastisch, also über einen großen Weg nachgiebig, verhalten, während jene Fahr-
werksteile. d ie Kräft e auf sie übertr agen, w ieder mög lichst ste if sein sollen, also geringste
Verformungen zeigen sollen.
Einfach heit. Techn ische Gebilde sind einfach, wenn sie übersichtl ich sind . Eine Lösu ng
erscheint einfacher, wenn sie mit weniger Komponenten oder Teilen verwirklicht werden
kann, weil u. a. geringerer Bearbeitungs- und Montageaufwand, weniger Verschleißstel-
lcn und kleinerer Wartu ngsaufwand zu erwarten ist. Dies tr ifft auch zu, wenn diese Teile
geometrisch einfach und ih re Anord nung nicht komplex ist. Möglich st wenig Teile mit ein-
facher Gestaltun g sind daher grundsätzlich anzustreben. In der Regel muss aber ein Kom-
promiss eingega ngen werden: Die Erfüllung der Funktion erforde rt ein Mindestmaß an
Komponenten oder Teilen, die nicht weggelassen werden können.
Symmetr ische Form en er weisen sich im angesprochenen Sinn als g ünstig. Bei de r
Fer tigun g, unter Last und unter Temperatureinfluss führen sie z u übersichtl iche n Verfor-
mungen.
Ein einfacher Aufbau führt zwangsläufig z u einfacher Wartung, Kontrolle und Repara-
tu r.
Einfache Kon stru ktionen erf üllen im Allgemeinen die sclbc n Fu nktionen mit weniger Bau-
teilen als kompliziertere. Ein Vergleich zwischen ähnlichen Systemen mit unterschiedlicher
Bauteilan za hl kan n über deren Zuverlä ssig keit angestellt werden. Letztendli ch e ntsc heidend
ist ja d ie Systemzu verlässig keit, d.h . mit welcher Wahrschein lichkeit er reicht das Fahrzeug
das Z iel bzw. umgek eh rt mit welcher Wahrscheinlichkeit führ t das Versagen eines wich-
tige n Teils zum Ausfall im Rennen (abgesehen von den vielen ande ren möglichen Einflü s-
sen, begonnen beim Fahrer über das Weller usw., die den Rennsport auch im Computerzeit-
alter interes sant machen).
B
B Fahrzeugkonzept
Seien beispielsweise 50 intakte Komp onenten lebenswichtig für ei n Rennfahrzeug
(Zündkerze n, Einspritz ventile . Reifen, Antriebswel len, Kraftsloffpump c, Leitungen usw.)
damit es da s Ziel sieht, so ist die Wahrscheinlichkeit das Rennen zu bccndcn von der Zuver-
lässigk eit der Einzelteile abhängig . Die Einze lteile sollen in diesem Zahlenbeispi el alles amt
eine 99,99-prozcntigc Sicherheit über eine Renndista nz haben , d.h . 0,01 % oder I Teil von
Iononfalltaus. Dann ist die Wahrscheinlichkeit, da ss da s Fahrzeug die Ziellinie überquert
0,999950 = 0,995 ode r 99,5 % . Das heißt umgekehrt die Ausfallswahr scheinlich keit bet rägt
0,5 % also I Wagen von 200 fallt aus.
Würde dieses Fahrzeug nur 10 krit ische Bauteile aufweisen, sehe die Rechnung so aus:
0,999910 = 0,999 ode r 99,9 %. Die Ausfallswahrscheinlichkeit sinkt also auf ü.I % bzw. nur
noch 1 Wagen von 1000 fallt aus [B29].
Ein modern er Formel- I-Wagen best eht aus etwa sO.oon Teilen, aber offe nsichtlich ist
nicht jedesdavon lebenswichtig ...
ZU\crlässigkcit. Bei aller Leist ungsfähigkeit eines Rennfah rzeuges gilt doch der berühmte
Satz: Um als erster ins Ziel zu kommen, muss man erst einmal ins Ziel kommen. Die Zuver-
lässigk eit der wichtigsten Teile ist also auch entscheidend über Sieg oder Niederlage. Nur,
was sind die wichtigsten Teile eines Ren nwagens, wo dieser doch nur aus de m Notwen-
digsten besteht'? Wichtige Teile sind aufjeden fall solche, deren Versage n zum sofortigen
Ausfall im Rennen führt. Dazu gehören radführende fah rwerksteile und energieführende
Teile des Motors und des Antriebsstrangs.
Das heißt am Beginn wird eine Analyse stehen , welche Teile bzw. Systeme besonders
bedeutend für die Zuverlässigkeit des Wagen s stehen und welche weni ger. Dabei hat sich eine
Unte rteilung in dr ei Klassen bewährt. Diese so gena nnte A BC-A nalyse zeigt Tabelle 8-10.
Tab . 8 -10 ABC -Ana lyse. nach [B35].
a-rene
r isikoreich
Lebensd auer berechenb ar
Wellen
Zahn räder
Lag er
e-tene
c-rene
ri sikoreic h
r isikoarm
Leb en sdauer nicht berechenbar Lebensdauer nicht berechenbar
Dicht unge n
Sicher ungs ringe
Versch lussschrauben
Bei den B-Teilen ist man auf Erfahrungswe rte und Versuchsergebnisse angewiesen, weil
man deren Lebensda uerja nicht wie bei A-Teilen berechnen kann . C-Teile sind zuverlässig-
keitsneutral und werden aus dem Gru nd bei der weiteren Betrachtung nicht mehr berück-
sichtigt.
Weitere A nalyse methode n sind die FME A (Fehler-Möglichkeits - und Einflussan alyse)
und di e FTA (Fehlerbau manalyse).
Eine FME A ist ei ne weitgehend forma lisierte Methode zu r systemat ischen Erfassu ng
möglicher Fehler und zu r Abschätzu ng der da mit verbu ndenen Risiken (Auswirk ungen).
Anhand eines Formblaus werden pote ntielle Fehler mit ihren Folgen und Ursachen auf-
gezählt und die Wah rscheinlichkeit des Auftreten s ei nes Fehlers, seiner Folge n und seiner
5 Allgemeine Konstruktio nsp rinzipien b eim Entwerfen
Entdeckbarkeif abgeschätzt. Daraus folgt eine Reihung nach der Höhe des Risikos einzelner
Fehler. Weiters werden vorgesehenen Prüfmaßna hmen (Istz ustand} und empfohlene bzw.
let ztlic h getroffene Abhilfemaß nahme n zusam mengestel lt.
Bei der FTA wird die Funktionsstruktur eines Systems betrachtet und die einzelnen
Fun ktionen der Reihe nach als " nicht erfüllt" angenommen. Daraufhin werden die Auswir-
kungen auf das Gesamtsystem betrachtet und in Folge wird die Funktionsstruktur umge-
stellt bzw. erweitert , damit ein zelne Fehlfunktionen nicht zum Totalausfall führen.
Ein weiterer Zugang um die bedeutenden Teile herauszufiltern ist die Betrachtung der
Ausfallgründe von Wagen in Rennen. Es zeigt sich, dass für gewöhnlich die rotierenden
heiße n Teile Schwie rigkeite n be reiten . Daru nter fallen Moto r, G et r iebe, A nt r iebs wellen,
Bremsen, Radlager und Reifen. Natürlich wissen das die Teams und schenken diesen Tei-
len besondere Aufmerksamkeit von der Konstruktion, über die Fertigung bis zur Wartung.
Dennoch bleiben diese Teile ganz oben auf der Liste der Ausfallgründe [B26].
Unter dem obigen Stichwort " Einfachheit" wu rde unter anderem die Anzahl der Bauteile
als Kriterium für die Aus fallsiche rheit betra chtet. Diese Methode (parts count mcthod) hat
ihre Berechtig ung und wird oft bei elektronischen Produk ten angewandt. Bei mechanischen
Strukturen kommt aber einer weiteren Betrachtung größere Aussagekraft zu. Und zwar ist
die Zuverläss ig keit hierb ei stark von de r Wechselw irku ng von Widerstandsfähigkeit und
Beanspruchung geprägt [B40]. Mit anderen Worten je stärker ein Bauteil beanspru cht wird,
desto g rößer ist die G efahr, dass es aus fallt . So wird etwa die Zuverlässigkeit eines Plane-
tenget riebes dur ch Hinzu fügen von Planetenr ädern vergrößert, obwohl sich die Teilean zahl
(Zahnräder, Lager) noch stärker erhöht hat. Die Aufteilung der Leistung auf mehrere Zahn -
räder mindert aber deren Beanspruchung und wirkt sich so positiv auf die Lebensdauer aus.
Vergle ichsweise kom mt ei n Stufenr ads atz mit zwe i Zahnrä dern mit ungleich weniger Teilen
aus, kann aber durch die höhere Beanspruchung derselben eine geringere Zuverlässigkeit
aufweisen als das Planetengetriebe gleicher Leistun g.
Zu verläss igke it ist also auch eine Frage der Bauteilsicherheit. Diese kan n erreicht werden
durch drei grundsätzliche Sicherheitsprinzipien, wobei sich der Konstru kteur zur sicheren
Erfüllun g einer Funktion für eines entscheiden muss:
I. Prinzip des sicheren Bcstchcns (saf e-fife-Verhalten),
2. Prinzi p des be schrä nkt en Versage ns (fail-s afe -Verhalten),
3. Prinzip der redundanten Anordnung (redu ndancy).
Sicheres Bestehen. Das Prinzip des sicheren Bcstchcns geht davon aus, dass alle Bauteile
und ihr Zusammenhang so beschaffen sind, dass während der vorgesehenen Einsatzzeit
alle wahrscheinlichen oder sogar möglichen Vorkommnis se ohne Versagen oder Störung
überstanden werden.
Dazu muss man sich vor Augen führen, dass nicht nur die Belastung, sondern auch der
Widerstand des Bauteils dagegen sich nicht auf einen konstanten Wert reduzieren lassen. Es
gibt im Gegenteil unvermeidbare Streuungen der Werte von Belastu ng und Werkstoffeigen-
schaften, die sich auf das Bauteilverhalten auswirken. Unterschiedliche Belastungen erge-
ben sich durch unterschiedliche Einsat zbedi ngu ngen. Der Werk stoffk ennwer t schwankt
durch Qua litäts- und Fertig ungs ein flüsse (Kaltverfestigung, G ießen : Abkühlverhalten
unterschiedlicher Wandstark en. Tolera nzen, ...) . Bild B- IS stellt diesen Zusamm enhang
schematisch dar.
B
B Fahrze ugkonzept
Streu ung (1
uberqualitlt
~
-
"
•
~
-
"
~
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Nor malqu alit ät
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unt erqualltAt I
Nennlast
3",
•c
•
•
m
Untarla s t
Bild B-18 Streuung von B ean spruch ung und Wid erstand sfähigkeit, na ch [B 35].
Weder die Qualität des Werkstoffs noch die Höhe der Belastung weisen immer denselben Wert auf. Im
Gegenteil: Seid e Grö ßen schwa nken um einen Mittelwert. Erleid et ein B auteil mit geringer Qualität eine
Überla st, kommt es zum A usfall d ieses Teils.
Das siche re Bestehen wird somit s iche rgest ellt durch :
entsprec he nde Kläru ng der ei nwirke nden Belastu ngen und Umweltbedingu nge n. w ie z u
erwartende Kräfte, Zcitdaucr, Art der Umgebung usw. (ver meldet Verschleiß- und Ermü-
dungsausfälle),
aus reiche nd sichere Auslegung auf Grund bewährter Hypothesen und Rechenverfah ren
(z. B. FEM, s. Anhang),
zahlreiche und gründliche Kontrollen des Fertigungs- und Montagevorgangs (vermeidet
Frühausfälle),
Bauteil- oder Systemuntersuchung zur Ermitt lung de r Haltbarkeit unter zum Teil erhöh-
ten Lastbedingungen (Lasthöhe und/oder Lastspielzahl) und den jeweiligen Umgebungs-
e inflüssen (verme ide t Verschleiß- und Erm üd ungsa us fälle),
Festlegen des Anwendungsbe reichs außerhalb des Streubereichs möglicher Versagen-
sumstände (vermeidet Zufallsa usfällc),
optimierte Geometrie (keine Kerben, günstiger Kraftfl uss),
hochwert ige Werk stoffe mit garantierte n Spezifikationen.
Kennzeichnend für dieses Prinzip ist, dass die Sicherheit nur in der genauen Kenntni s aller
Einflüsse hinsichtlich Qualität und Quantität bzw. in der Kenntnis des versagensfreien
Bereichs Hegt. Dieses Prinzip erforde rt entwede r einschlägige Erfahrung ode r einen erheb-
lichen Aufwand an Voruntersuchungen, Strecker nests und eine laufende Überwachung des
Werkstoff- und Bauteilz ustand s. also Zeit und Geld.
Die Qualitätskontrolle geht in der Formel 1 beispielsweise so weit, dass bei der Moto-
renfertigung rund 5000 Einz elteile, davon 1000 unterschiedliche, geprüft und Individuell
gekennzeichnet werden (z. B. mit Barcodc), bevor sie in durchschnittlich 80 Arbeitsstu nden
z u einem Renntriebwerk gefügt werden [B38].
5 Allgemeine Konstruktionsp rinzipien bei m Entwerfen
Während der Fah rt werden neura lgische Stellen laufend mit Sensore n über wacht: Über
Temperaturen und Drücke kann auf den Zusta nd von Syste men geschlosse n werde n und
im Bedar fsfall mit Leistungsrücknahme reagiert werden, bevor es z u einem Totala usfall
kom mt.
Zuverläss igkeit ist - wie so oft - auch ei ne Frage des Budgets und der Disziplin. Regel-
mäßige Wartu ng mit konsequentem Tauschen von Teilen, wenn sie ihr Zeitpensum erfüllt
haben , ega l ob diese noch bra uchbar aussehen oder nicht, erhöht zw eifelsfrei die Zuverläs-
sigkeit.
Damit ei ne entsprechende Bauteilsich erheit gewährleistet werden ka nn, muss sei ne
Beanspruchung unter einem gewisse n Grenzwert bleiben. Die Werk stoffforschung liefert
dem Konstrukteur für die ei nzelnen eleme ntare n Beanspru chu ngsarten (Zug, Druck , Bie-
gung, Schub und Torsion) an eine m Probestab. d. h. im Allgemeinen nicht am Bauteil selbst,
Werkstoffg renzwert e. bei deren Überschreiten Bruch eintritt. Die zulässige Bean spru chung
fTzul folgt somit aus einem gemesse nen Werkstoffgren zwert an abgeschwächt durch ei nen
Formeinfl uss sow ie eine Sollsicherheit S:
0zul z uläss ige Be a nspru chung [N/mm 2]
on Werk stoffk ennwert [N/mm21
ko Oberflächenein fluss (Fertigung, Bearb eitung) [-I
kG Größenei nfluss (Spannungsgradient u. a.) [- I
S Sicherheitsfaktor [- I
Raue Oberflächen beinhalte n zahlreiche Kerben und wirken somit bei Wechsclbea nspru-
chung festigkeitsmin dernd . Oild 0 -19. Diese Wirkung nimmt mit steigender Werkstoff-
festigkeit zu. Je hochfester ein Mater ial ist, desto wichtiger ist also eine glatte Oberfläche
bei dynamischer Belastu ng. Ebenso wirkt sich die Größe eines Bauteils aus. Die im so
genannten Zugversuch ermittelten Werte gelten streng genommen nur für den Probestab
mit 10 mm Durchme sser. Hat das Bauteil g rößere Abmessu ngen, nimmt sei ne Festigkeit
ab. Dieser Einfluss ist bei wä rmebe handelt en Stä hlen naturgem äß noch stä rke r ausgepr ägt.
Man erken nt da raus auch einen Vorte il von dünnwa ndigen G ussbauteilen . Abgese hen
davon, dass sie leichter sind und keine Lunker stören, weise n diese auch noch höhere Festig-
keitswert e als verg leichba re dick wa nd ige Konstruktionen auf.
Beschränktes Versagen. Das Prinzip des beschränkten Versagens lässt während der Ein-
satzz eit ei ne Funktionsstör ung und/oder einen Bruch z u, ohne dass es dab ei zu schwerwie-
genden Folgen kommen darf. In diesem Fall muss
eine we nn auch eingesch ränkte Funktion oder Fähigkeit erhalten bleibe n, die einen
gefä hrlichen Zusta nd vermeidet,
die eingesch ränkte Funktion vom versage nde n Teil ode r einem a nder en übernommen
und solange au sgeübt werde n, bis das Teil ausget auscht werd en kann,
der Fehler ode r da s Versagen erkennbar we rden.
Dabei erfolgt die Warnu ng im Wesentliche n einhergehend mit einer Einschrä nkung einer
Haupt funk tion durch: Zunehmende Laufu nruhe. Undichtwerden. Leist ungsrückga ng,
Bewegungsbehinderung et e. oh ne gleich eine Gefährd ung zu bewirken . Es sind auch Warn-
syste me denkbar, d ie dem Fah rer den Versagen sbeginn melde n.
B
B Fahrzeugkonzept
R, Ra[",rn]
1 0,25
2 0,5
4
6 1,6
104
20 6,3
40 16
1300
:=-r-=
.....o::±
.. . :.=J
-
:
100 40
..... -+ ..
500
700
900
1100
Zugfestigke it R. [N /mm~ l
;,20,9
•
•,
~O,8
s
•c
~0,7
u
~
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t 0,6
Zo
0 , 5 +:-~~~~=c-"t---i-~ +:-:-~~ -
300
a
Bild 8-19
Einflüsse auf die Festigke it von aauteaen aus
Stahl, nach [835].
a Einf luss der Oberf lächengüte
R l aemü tette Rau tiefe. Ra arithmetische r Mi t -
te nra uwe rt (OIN EN ISO 4287. 4288)
b Einfluss der Bauteilgröße
90
[ mm)
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~~~~t~~o~nd :C:,
T"
VeOtunutahl;
i !---..;
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.•..•.-..-•.-+--• ..-.........-..
-
...- .-.•-+-.• -
fOr d , 250 mm:ka=O'T
i
0,5
10
305070
Bauteildurchmess er d
1,0
b
-:0,9
~
•
~ 0,8
~
~
c
a:0,7
e
•
o
'~ 0,6
o
Das Prinz ip des beschränkten Versagens setzt die Kenntnis des Schadensablaufs und
eine solche kons truktive Lösung voraus, die die eingeschränkte Funkt ion im Falle des Ver-
sagcns übernim mt oder erhält.
Beispiels weise hält eine Sch raube, di e von oben in eine Verbindung eingesteckt ist, Fah r-
werkste ile auch dan n noch zusa mmen, wenn die Mutter d urch Vibratio nen o. ä. abgefallen
ist. Das au ftretende g rößere Spiel signalisiert dem Fahrer de n Fehler. Wird die Schra ube von
unten eingebaut, fa llt sie dur ch das Eigengewicht heraus und d ie Verbindung ist vollständig
gelös t.
Redu ndanz. Das Prinzip der redundanten Anordn ung ist ein sowohl die Sicherheit als auch
die Zuverlässigkeit von Syste men erhöhendes Mitt el. Redu nda nz (= Überfluss) bedeutet im
t echn ischen Sinn Mehrfachanordnu ng von Teilen oder Systemen. Elastische Sicherheits -
tanks müsse n beisp ielsweise in einem d ichten Behä lter untergebracht sein. Die Wände, die
den Kraftstoff halten, sind also redundant vorhanden. Redundan z führt zu einer Erhöhung
der Sicherheit, solange das möglicherweise ausfallende Systemelement von sich aus keine
50I
5 Allgemeine Konstruktio nsp rinzipien b eim Entwerfen
Gefahrdu ng he r vor ruft und das ent wede r parall el oder in Seri e ange ordnet e weitere Syste-
melement die volle oder wenigstens eingeschränkte Funktion übernehmen kan n.
Die Anordnung von meh reren Kraftstoffp umpen, mehrsträngige Seilzüge sowie Mehr-
krcisbrcmssystcmc sind Beispiele von akti ver Redundan z: Alle Komponenten beteiligen
sieh aktiv an der Aufgabe. Bei einem Teilausfall entsteht eine entsprechende Energie- oder
Leistungsminderung.
Auch mehrere Sensoren können dieselbe Aufgabe haben. So werden zur Erfass ung der
Getriebestufe zwei Sensoren eingesetzt. Das Mehrgewicht wird dabei mehr als aufgewogen,
droht doch im Versage nsfall ein Motorschade n durch Überdrehen.
Sieht man in Reserv e stehende Einheiten - meist von gleicher Art und Größe - vor, die
bei Ausfall der aktiven Einheiten z ugeschaltet werden. z . B. Ersatzpumpen. spricht man von
passiver Redunda nz, deren Akt ivieru ng einen Schaltvorgang nötig macht.
Wenn eine Mehrfacha nord nung nach der Funktion gleich, nach dem Wirkpr inz ip aber
unterschiedlich ist. so liegt Prinzipredundanz vor. Als Beispiel mag die vielfach geforderte
dop pelte Schließfede r de r Drosselkla ppe d ienen . Eine Fede r kan n eine Zugfede r über ein en
Hebel wirkend. die z weite eine direkt auf d ie Welle wirkende Spira lfede r sein .
Sicherheitserhöhende Einheite n können parallel (z. B. Ersatzö lpumpen. ...) ode r auch in
Serie (z. B. Filteranlage n) angeordnet werden. In vielen Fällen genügen solche einfachen
Schaltungen jedoch nicht, sonde rn es sind Schaltungen mit kreuz weiser Verk nüpfung erfor-
derlich. z . B. um trotz Ausfall mehrerer Komponenten einen Durchgang zu gewährleisten.
Die redundante Anordnung vermag aber nicht das Prinzip des sicheren Besteheus oder
des beschränken Versagens zu ersetze n: Die redundante Anordnung von Kraftstoffp umpen
hat keinen sicherheitserhöhenden Effekt, wenn die Pumpe selbst z um Überhitzen neigt und
dadurch den ganzen Wage n gefährdet.
Sicherheitserhöhung ist nur da nn gegeben, wenn die redundanten Elemente einem der
obigen Prinzipien de s sicheren Bestehens oder des beschränkten Versagens genügen.
Kerben noteh. An Kerben treten Spannungskonze ntrationen auf, die sich besonders bei
dynamischer Belastu ng als Schwachstelle er weisen. Kerben können nicht immer entfernt
werden, aber die Bauteilumgebung kann so gestaltet werden. dass die lebensdauerreduzte-
rc ndc Wirkun g von Kerben he rabgeset zt wird.
Für ausfallsichere Schraubverbindungen. die hoch und vor allem dynamisch beans prucht
werden, müssen Kerbwirku ngen und der Kraftfluss in den verspannten Teilen bea chtet wer-
den, Bild B-20.
a : Bei Stiftschraube n mit dem üblichen Verklemm en des Gewindeauslaufs im Sackloch
besteht Dauerbruchgefahr (Pfeil). Diese kann durch die gezeigten Maßnahmen vermin-
dert werden: Biegeweicher Dehnschaft (I), Sacklochgewinde überragt Schraubengewin-
de (2) und Verspa nnen der Schraube über Ansat zzapfen (3).
b: Bei besonders kerbempfindlichen Schraubenwerkstoffen (z. B. Titan) reicht die gängige
Mutterauflage auf einer flachen Scheibe nicht aus. Es treten häufig Brüche im Bereich der
Kontak tfläche Mutter zu Scheibe auf. Abhilfe schafft eine Ausführung mit zwei kuge-
ligen Scheibe n und einer Mutter, die so gestaltet ist, dass das Schraube ngewinde inner-
halb der Mutter endet.
e: In Sacklochverschraubungen tritt die höchste Beanspru chung am Ende des Schraubenge-
windes auf. In dem Bereich kann es z u Dauerbrüchen kommen (Pfeil). Der Spannungs-
verlauf im Mutte rgewinde ka nn durch verschiedene Maßnahmen ausgeglichener werden.
B
B Fahr zeugkon zept
vermeiaen
bevor zugen
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bevor zugen
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Bild 8 -20
Gestaltunq von hochbeans
F_~
Schraubenve rbindungen , n
Er läuterungen siehe Text
or uchten
ach [837].
Ocr Bolzen überragt das Mutterge winde (I ) um ca . 2-fachc Steigung P. Dies kann auch
innerh alb des Teil s erfolgen , indem das Gew inde mit ei ner Verrundung ausgese nkt wird
(2) oder indem die Schra ube ausgebohrt wird (3).
d : Die Haltba rkeit von Schrauben verbindungen kann gest eigert werden dur ch eine größere
elastische Nachgiebigkeit der Schra ube (längere Schra ube d urch entsprechende Gest al-
tung der Bauteile oder mit einer Hülse und schlanker Schaft ) und durch Verschiebe n des
Ang riffspu nkts de r Betriebsk raft F zur Tren nfuge hin.
e: Eine elegante Methode um auf kleinstem Raum feste Vorspannung zu erreichen ist ein
Differe nzgewinde. Die beiden G ew inde haben dieselbe G angric htung abe r untersc hied-
liche Steig ungen (PI > P2). Je geringer der Unterschied ist, desto größere Vorspa nnkräfte
können mit demselben A nzugsmo me nt erreicht werden. Der Kra ftfluss ist in dem Fall
auc h wesentli ch günstiger als bei der konventionellen Verschr aubung. Die Spannkräfte
werden an beiden Enden der Schra ube über einen längere n Bereich über das Gew inde
e ingele ite t.
Das beste Mittel gegen Lösen von Schraub verbind ungen sind hochfest vorgespannnte
Schraube n. Bei Offroadein sätzen (Raid, Eisspccdway. ...) lockern sich manche Schra uben-
verbindungen mit Regelsteig ung. Als Abhilfe greifen manche Teams z u dra stischen Mitteln
und Verpressen die Mutt er (Kleben reicht im Allgem einen nicht aus). Das Lösen einer sol-
chen Verbindung erfo lgt mit einem Schlagschraubcr. Das Gew inde ist allerdin gs danach
unbrauchbar und die Schraube mitsamt Mutter muss getauscht werde n.
Weil sich eine Schraube unter der Vorspannkraft längt, das Muttergewind e j edoch gedrückt
wird, kommt es zu gegensätzlichen Dehnungen. Dadurc h tragen im Prinzip bloß die letzten im
Eingr iff befind lichen Gewindegä nge. Will man die Vorspann kraft gleich mä ßiger auf die Ein-
schraublänge der Schra ube a ufteile n, muss eine Zug-Dr uek-Muller eingesetzt we rden, d ie sich
5 Allgemeine Konstruktio nsp rinzipien b eim Entwerfen
zum Teil ebenfalls längt. Das benötigt mehr Platz und ist schwerer als die Ausgangslösung. In
der Formel I werden daher Schrauben mit an die Verformung angepasster also veränderlicher
Gewind esteig ung verwendet. Das ist zwa r te ch nisch elegant , aber aufwendig und teuer.
Wie bei Wellen und Achsen die Kerbwirkung durch zwec kmäßige Gestaltung herabge-
setzt wird, ist im Kapitel M 3.1 An triebstra ng da rgestel lt.
Es gibt auch de n Fall, dass absichtlich eine Kerbe in ein em Bauteil vorgesehen wird, näm-
lich an einer Sollbruc hstell e. Diese Stelle entsteht durch Anbr inge n eines Quer schnitt sprun gs
bzw. ei ner Einschnürung und ihre Wirk ung kann durch ein e Wärmeb ehandlung zusätzlich
gesteigert werden. Es kommt zu einer örtlichen Vcrsprödung. die bei der vorgesehenen Über-
last zum Bruch führt. Solehe Stellen finden sich beispiel swei se an Qucrlcnkcranbindungcn
von Einsitzern . Bei ei nem Unfall brechen die Len ker weg und ze rstören nicht den Rahm en.
Leichtbau leightweight design , Das Gewicht einer Konstruktion ist im Allgemeinen vom
Werk stoff, von der Bauweise, von der Auslegungsart und vom Verbindu ngsaufwand abhän-
gig. Um Gew icht zu sparen wird man Werkstoffe einsetzen, die eine hohe Festigkeit bei
geringer Dichte aufweisen , Näheres dazu im nächste n Abschn itt. Als gewic htssparende
Bauweise bietet sich die Integralbauweise an. Im Ext remfall werden dabei ga r keine Ver-
bindu ngen benötigt. Verbindu ngen haben nämlich unter anderem den Nachteil, da ss Über-
lappu ngcn und zusätz liche Verbindungselemente benötigt werden, d ie ein em Abspec ken
im Wege stehen. Die Auslegu ng, also die Dimcnsionicru ng von Bauteile n. kann von vor-
schriftsbestimmten Sicherheitsfaktoren geprägt sein oder aber für spezielle Belastu ngen
so ausgereizt werden, dass das Bauteil diese nur eine bestimmte Zeit erträg t. Leichtbau ist
geken nzeichnet durch Optimierung der Struktur und Opti mierung bedeutet auch imme r
Spezialisieru ng, also Eingrenzu ng auf einen bestimmten Anwendungsbereich mit genau
festgelegter Anwendungsdauer.
Leichtbau heißt also vor all em ein Bauteil gena u aufsein e Bela stung(en) hin auszulegen .
Dazu muss einerseits die Belastung genau bekannt sei n und andererseits die Antwort eines
Werkstoffes auf diese Belast ung, also da s Materialverhalt en. genau bekannt sein. Beides
ist im Allgemeinen nur innerhalb eines Streubereiches möglich. Belastungen werden durch
Stöße us w, überlagert und Werkstoffe unte rliegen den üblichen Qualitätsschwankungen
einer Produktion (Bild B-18). Ideal wäre ein Bauteil, in dem alle Bereiche gleichmäßig (und
hoch) beansprucht sind. Das hieße nämlich, dass kein Material .vcrschcnkt'' wurde. Ein
weiterer Schritt die Masse von Bauteilen gering zu halten ergibt sich durch die Auslegu ngs-
art. Dauerfe ste Teile sind naturgemäß wesentlich größer und schwerer als zeitfeste Teile.
Anders als in vielen Bereichen de r Technik, wo dynamisch bel astete Teile da uer fest au s-
gelegt werden , ist es im Fahrzeugbau notwend ig Teile leicht zu halten. Eine Möglichkeit dazu
bietet da s dy n am ische We rkst offverhalten . Bild B-2 1. Bei ein er Wechselbelastu ng t ritt de r
(Ermüdungs-)Bruch nach ein er bestimmten A nza hl von Lastwechsel ein. Die ertragbare
Spannung nim mt dabei mit zunehme nder Anzahl der Lastspiele (Schwing ungen, Zyklen , ...)
ab und errei cht bei vielen Werkstoffen nach einergewissen Anzahl von Lastspielen (bei Stahl
10· 1( 6) einen Wert, der sich kaum mehr verändert, die Dauerfestigkeit. Wenn die Wechselbe-
anspr uchung unterhalb der Dauerfestigkeit bleibt, tritt auch bei höchsten Lastspielzahlen kein
Bruch auf. Kennt man nun die Anzahl der Lastspiele. die ein betrachtetes Bautei l ertragen soll
(z. 8. Anzahl der Kurbelwellenumdr ehungen während der angest rebten Motorlcbc nsd aucr),
so kann da s Teil auf eine bestimmte höhere Bean spruchung (Zchfcs rigkcit) ausgelegt werden,
d.h. die Materialquerschnitt e können bei gleicher Belastun g kleiner ausgeführ t werden.
B
153
B Fahr zeugkon zept
o
e
10xl0·
5,0
0,5
1,0
last spiele N
0,1
I
0,05
;
~
.
-
~ 250
o
.
-
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•
•~
~
.
-
•N
!z
Bi ld 6-21 Prinz ipie lles Festigkeitsd iagram m von Wer kst of fen, Gren zspa nnungslinie (W öhlerlinie) vo n
Stah l (ao Dauerfestigkeit, aN Zeitfest igkeit für N Lasts prere).
Ein Teil aus d iesem We rkstoff ist dauerfes t wen n seine Beansp ru chu ng un t er 0'0 b leib t Genügt beisp ielswei -
se eine Lebensdauer von 105 (Pfeil) Lastspielen. so kann die Beanspruchung höher, näm lich bei aN. liegen.
Je geringer die angestrebte Lebensdauer eines Bauteiles ist, desto leichtgewichtiger kann
es gesta ltet werden . Ocr Entw icklu ngsaufwand fü r solche Teile ges ta ltet sich allerdi ngs
beträchtl ich aufwändig. Lastkollektive (s. Anhang) müsse n aufgezeich net werde n. Werk-
stoffcha rgen müssen regelm äßig geprü ft werde n und bei Herst ellu ng und Montage müssen
die bewäh rten Beding ungen eingehalten werden. Bei schwi ngbca nspruchten Teilen führt
beispielsweise eine falsche Schleifrichtung (Riefen quer zu Zugspannung) zu einer wese nt-
lich geringeren Lastspielzahl bis zum Bruch. Für das Team bedeutet das. sämtliche Teile
mü ssen individuell gekennzeichnet we rden (Buchstaben/Zahlen- Kombination, Barcode•.. .)
und ihr Einsatz {Bctriebsstundcn. Kilometer, ... ) muss gcnaucstcns erfasst werden. Dazu
müssen natürlich Kilometer- bzw. Betriebsstundenzähler an Bord sein. Vor Ablauf de r
Lebensdauer müssen die Teile rechtzeitig getauscht werden (Lifing), sollen diese nicht just
während des Rennens ihr Lebenspensum erfüllen.
Wenn ein Bauteil auf seine Belastung hin dimensioniert werden soll, gilt es auch zu
berücksichtigen, da ss die Beanspruchung sich über die Bauteillänge ändern kan n. Wird ein
Teil nur aufseinen kritischen Quersch nitt hin ausgelegt und ist die Belastu ng nicht konstant
über der Bauteillänge . so sind alle übrigen Q uerschnitte überdime nsioniert. Ein gewic hts -
günstiges Bauteil wird demnach an jeder Stelle gleich und vor allem hoch beansprucht. Als
Anschauungsbeispiel soll eine zylindrische Achse dienen. Das Biegemoment. das die Achse
überträgt, ist nicht an jede r Stelle gleich, sondern wächst im Gegenteil mit dem Abst and
zu r Krafteinleitu ngsstelle. Eine opt imie rte Vollwel le mit Kreisqu erschnitt hat dann anj cder
Stelle x einen Durchm esser d~ (Körper gleicher Festigkeit), für den gilt:
, LI':cl~:cl",üc
d~=}!
o b....ul
d,
kf~ .b
a b.zul
Wellendurchmesser an dcr Stellc x [mm]
Biegem om ent a n der Stel le x [Nmm]
zulässige Biegespan nung des Werkstoffs [N/mm2]
5 Allgemeine Konstruktio nsp rinzipien b eim Entwerfen
Wenn auch der rechnerische und versuchstechnische Aufwand bei extremen Leichtbau
rasch groß wird (Bild 8-22), lassen sich doch einfache Regeln und Strategien angeben, mit
denen auch ohne FEM-Analysen (co mpute rgestützte numer ische Spa nnungsbe rechnung.
s . Anha ng) Werkstoff und damit Bauteilmasse gespart werden kann. Se rienfah rzeuge sol-
len zwar auch eine geringe Masse aufweisen, aus wirtschaftlichen Gründen wird jedoch
kostenoptimi e rte r Leichtbau bet rieben . Bei Ren nfa hrzeugen stehen bei wesentlich gerin-
geren Stückzahlen andere Ziele im Vordergrund, weshalb die Gewichtseinsparu ng wesent-
lich weiter get rieben wird (ext remer Lcichtbau) .
Einige dieser Prinzipien sind:
d irekt e Lastci nleit ung,
Realisieru ng hoher Plächcnt r äghcits momcntc ,
Integ ralbauweise,
Parallelscha ltung von Wirkflächen,
Dreh za hle rhöhung.
Überlast beg renz ung,
verbesserte Kühlung bei thermisch belasteten Konstruktionen,
Verri ngeru ng von Kerbwirku ng dur ch g ünst igen Kraft- bzw. Spannungsfluss.
Einsatz von hochfeste n Werkstoffen.
~
Fertigungskost en }
::
ßngine~ingkosten Gesamtkosten
s-,
/ ~Materialkosten j
-,
//
' < .?'", 7-:---::-~
...........
•......j
..........':::::--
utr ell er Lei~htba~
Bi ld B -22 Zusammenhang zwischen Gewic ht und Ko sten vo n Konstru ktio nen.
Die Gesamt kosten (zusamm eng esetzt aus Fer tiqunqs- . Enqineennq- und Materialkosten) hängen di rekt
vom Gewic ht der Kon str uktion ab, Der Ingenie ura ufwa nd steigt mit sinkendem Gewicht ebenso an w ie
die Fertig ung skosten , Außerd em nehmen die Materialkosten b ei leichteren Werk stoff en ebenso zu.
Prinzip der direkten Lastleitu ng. Ist eine Kraft oder ein Moment von einer Stelle zu
einer anderen bei möglichst kleiner Verformung zu leiten, dann ist der direkte und kürzeste
Last leit ungsweg der zwe ckm äßigst e; Es werden nur wenige Zonen belas tet und die Lastlei-
tu ngswcgc, deren Quersch nitte entsprechend ausgelegt werde n müssen. werden hinsieht-
lieh Werkstoffaufwand (Gewicht, Volumen) und resu ltierender Verform ung minimiert. Das
gilt besonders dann. wenn es gelingt, die Aufgabe nur unter Zug- oder Druckbeanspru chung
zu lösen. Diese Beanspruchungsarten haben im Gegensatz zu Biegu ng und Torsion die
geringeren Verformungen zur Folge. 8 ild 8 -23 zeigt wie durch entsprechende Gestaltung
B
155
B Fahrzeugkonzept
Bild 8·23 Gestalt ung einer Turbo ladera ufhängung aus Zug - und Druckst reben (Renau lt Formel -l-Motor
von 198 4. V6 1,5 I Hubra um). Diese Konstruktion bestehe nd aus dre i Streben i st wese ntlich leichter als
ein Auslegerarm . der auf Biegung beansprucht wird. Die Streben sind an einem Ende am Zylinder kopf
befestigt und treff en mit d em an deren Ende in einem Punkt zusammen. an dem ein Halter über Zug den
Abgast urbolader abs tüt zt.
ein Biegeträger durch Zug- und Druckstäbe ersetzt werden kann. Dasselbe wird für einen
Umlcnkhcbc1 in Bild H-175 durc hgefü hrt.
Ein weite res Beispielliefert die Brem sa nlage. Die Weit er leitu ng de s Bre m smom ent s vo n
der Bremsscheibe erfolgt über Bolzen im Rad zum Latsch, d . h . es werden keine Umwege
über Flansche, Radnabe ctc. ge nomme n. Das würde bloß die Verformung im System ver-
grö ßcrn und die Radnabe mitsamt weite ren Teilen müsste kräftiger, also schwerer d irnc nsi-
onicrt werden , Bild B-24 .
Für steife. leichte Kon st ruktionen sollcn also Zug- und Druckbelastu ngen bevorz ugt wer-
den . Wob ci Druck ben achteiligt ist durch mögliche Inst abilität bei schla nker Bauteilgestalt.
nämlich durch die Versagensform Knicken (s. Anhang) bzw. Beulen . Wic augenfällig der
Einfluss von zusätzliche n Biegeb eanspru chungen in Bauteile n auf de ren Masse ist, zeigt
Bild B-25 beispielhaft.
a
__
b
Bild B ·24 Schema de r Las tleitung bei ein er Sche ibenbremse.
a Radnabe m it einem Flansch. es erfo lgt eine direk te L ast leit ung zw ischen Scheibe und Rad.
b Radnabe mit zwe i Flans chen , es w ird au ch ein Abschnitt der Radnabe be ansprucht.
•
,
,
,
5 Allgemeine Konstruktionsp rinzipien b eim Entwerfen
,
,
c
B
Bild 8 -25 Auslegung von B auteilen, d i e Zu gkrälte übe rtragen, nach [830].
a reines Zugglied
b ringförmiges Glied. zu sätzlic h es B iegemoment
c sicheiförmiges G lied, einseitiges Biegemoment
Diese lbe Z ug kraft Fführt trot z gleiche r We rks tofffesligke it bei zusätz licher Biegebeansp ruchung z u de ut-
lich größeren erforderlichen Qu erschnitt en (Breite 0,5 x bzw 2 x gegenüber 0.2 x beim reinen Zugglied)
und damit zu d eut lic h schw ereren Ba uteilen.
Geschlossene und sy m met rische Profile bzw, Konstr ukt ionen erweisen s ich dabei als gü n-
stiger als offene oder asy m metrische Q uerschnitte.
Dieses Prinzip nur ZugiDruckspannungcn zuzu lassen führt zu Fachwerkkonstruktionen.
Deren Nachteil ist. dass bei großen Laste n ein großes Bauvolumen erforderlich wird.
Doppclqucrlcnkcrachsc bestehen im Grunde auch aus Streben, die Zug und Druck über-
tragen.
Das ideale Element im Sinne dieses Prinz ips ist das Seil. Tatsächlich findet es an vielen
Stellen Verwe ndung, wenn es g ilt mit ge ri nger Masse Teile abzu st ützen ode r z u versteifen.
Bild B-26 .
Bild B-26
Seil als Zu gglied taeoettco Ford 18 9, 19 8 9).
Zur Redu zierung des Bieq emomen ts du rch
Eigengew icht und Abt rieb des Frentflügels
wi rd d iese r mit einem Seil zur Oberse ite der
Nase hin abgespannt.
B Fahrzeugkonzept
Rea lisier ung hoher Ftächent r äghetrsmomente. Damit die Biegesteifigkeit und -festigkeit
bei gegebene m Querschnitt (und damit Masse) möglichst groß ist, müssen tragende Flächen
eines Querschnitts möglichst weit auseinander angeordnet sein (vgl. auch Kapitel 0 2.1
Girrerrohrrah men ). Dies wird erre icht dur ch Roh rquer schnitte statt Vollprofile, Sandw ich-
strukturen (Kap itel 0 2.3), räumliche Tragwerke. Sicken in Blechen, Ycrrippungcn sowie
Feingliederu ng von Strukturen, Schalenbildung bei Blechen (vgl. auch Kapitel 0 2.2), Vor-
krümmung von Strukturen gegen die Hauptbclastungsrichtu ng usw.
Integr albauweise. Daru nter versteht man das Vereinigen mehrerer Einzelteile z u einem
Werkstüc k. Typische Beispiele hierfür sind Guss konst r uktionen statt Sehweißkonstr ukti-
onen, Strangpressprofile statt gefügter Normprofile, e ngeschmiedete Flansche statt gefügter
Flansche. Es fallen so Fügestellen weg und es werden enge Teleranzen möglich, die beim
Aufbau eines Gebildes aus mehreren Einzelteilen wegen der Aufsummierung von Einzelto-
lcranzcn nicht machbar sind.
Bevorzugte Fertigungsverfahren sind: Gießen, besonders Feingießen und Spritzgießen,
Sinte rn. Blechumfor me n. Tiefziehe n, Sch miede n, e rosives bz w. elektro lyt isches Abtrage n,
Laminieren von Fasermatten und Spanen aus dem Vollen.
Umgekehrt hat auch die Differenzialbauweise. also das Gliedern einer Komponente in
mehrere Teile mit unterschiedlichen Aufgaben auch ihre Vorteile: Jedes Teil ka nn an seine
Grenze bea nspru cht werde n und die Werkstoffwahl kann kompromisslos auf die Teilauf
gabe konzentrie rt erfolgen. Die Fertigung der Einzelteile kann parallel stattfinden, was vor
allem bei zeitkritischen Komponenten bedeutend sein kann . Weiters lassen sich typische
Austaus chteile auf einzelne Verschleißstellen eingrenze n und es muss im Wartungsfall
nicht das gesamte Bauteil entsorgt werden.
Bei der Verbundbauweise nimmt man eine Kombination von günstigen Werkstoffeigen-
schaften in einem Bauteil vor, indem ein Teil aus mehreren Werkstoffen aufgebaut wird,
die untrennbar miteinander verbunden sind. Ein Beispiel dafür stellen CFK-Quer1 enker mit
eingeklebten Gele nk sau gen a us Meta ll da r.
Parallels chal tung von wtrkftächen . Eine Parallelschaltung von Wirkflächen ergibt eine
Leistungsteilung, wodurch das gesamte System bei gleicher Leistung kleiner ausgeführ t
werden kann. Ein Beispiel dafür liefern Planetenradgetrieb e. wie sie auch in Differenzi-
alen zu finden sind. Das zu übertragende Mome nt wird dabei auf mehrere Planetenräder
aufgete ilt, so dass jedes einzelne theoretisch nur einen Bruchteil da von übertragen muss.
Tatsächlich müssen die Räder auf ein etwas größeres Moment ausgelegt werden, weil durch
Fertigungstoleranzen das Eingangsmoment nicht gleichmäßig auf alle Planetenräder ver-
teilt wird. Ein weiteres Beispiel ist im Allradant rieb eines Fahrzeugs zu sehen. Die z u über-
tragende Leistung wird in einem bestimmten Verhältnis auf al1c Räder aufgeteilt. Diese sind
dah er weiter von der Schlupfg renze entfernt und kön nen bei gleicher Gesamtleistung eine
größere Seitenkraft übertragen (Kurvenfahrt).
Drehzahl erhöh ung. Erhöht ma n die Drehza hl eines leistungsübertragende n Systems bei
konstanter Leistung, so verr ingert sich dadurch das zu übertragende Moment (Leistung =0
Drehmoment mal Drehzahl). Es macht also Sinn, das Schaltgetriebe unmittelbar am Motor
anz uflanschen. Durch die hohe Eingangsdrehz ahl muss die Eingangswelle nur ein relativ
kleines Moment übertragen und baut entsprechend klein, wie auch das gesa mte Getriebe.
5 Allge mei ne Konst ruk tio nsprinzipien b eim Entwe rfen
Die für den Fah rzeugantrieb benötigte Verg rößeru ng des Moments erfolgt möglichst spät,
in dem Fall im Hinterachsgetri ebe. wobei der Leistungsfluss z u den Ant riebs rädern aber auf
zwe i Seite nwelle n au fgeteilt wird (Parallelschaltung von Wirk flächen).
Über ta srbegrenz u ng. Die Masse von Bauteilen ergibt sich durch die Dimcnsionicr ung.
Werden Bauteile auf eine Last ausgelegt, die äußerst selten auft ritt, s ind sie für alle ander en
Belast ungen überdi mensioniert, also z u schwer. A ls Folge davon müssen auch bena chba rte
Bauteile (Lager, Gehäuse, Flansche, ... ) größer dimensioniert werden, wodurch das gesamte
System schwerer wird. Abhilfe bietet eine Verri ngerung von Stoßwirkungen z. B. durch
weic he re n A ntr ieb ode r Einba u elastis cher Zwische nglieder. Eine andere Mög lichkeit ist
die, da ss man die höchste äußere Belastung ge nau festsetzt und zw ar durch eine definierte
Begr e nzu ng. Solch ein e Mög lichkeit biete n Rutschk upplun gen . Flüss igk eitskupplunge n.
Sollbr uchstellen, Überdruckventile, Tren nschalter usw.
lnnovatinnen. Wie überall, wo man sich von Wettbewerbern abheben möchte, ist auch oder
besser ge rade der Rennspo rt geprägt von der ew igen Suche nach Kniff.s , Ve rbesse rungen
und Innovationen, mit denen die Konku rre nz sprichwörtlich abgehängt werde n kann . Dabei
gilt es das Potenzial neuer Lösungen mit dem Zeitaufwand für die Reifung der Neuerung
abzuwä gen. Nur allzu oft stellt man fest, dass das (unreife) Brandn eue vom a usge reiften
Alten geschlage n wird - zumindest anfangs. Hier spielen ..Kinderkrankheiten" und feh-
lende Erfahru ng der A nwcndc r (Fahrer, Renningenieur und Mechanik er) am Beginn der
Entwicklung eine große Rolle. Und nicht selte n erntet nicht derj enige, der ein ncucs System
e ingeführt hat, sonde rn der, de r es übernommen und weiterentw ickelt hat , die Früchte der
Idee. Jede Neueru ng muss also nicht gleichbedeute nd mit einem Sieg beim erste n Einsatz
sein, eher wird eine Durststrecke die Folge sein, in der das neue Syste m entwickelt wer-
den muss. In dem Zusammenhang ist die Zuverlässigkeit ein Thema . Mit der Einführung
eines neuen Systems, eines ncucn Konzepts oder einer neuen Lösung gibt man womöglich
Bewährres auf und riskiert Ausfalle. Auf der anderen Seite darf man auch nicht allz u kon-
servativ denke n, sonst fahrt man eines Tages hinterher. Jedes Team, das eine größere Inno-
vation plant, ist gut bera ten, die Entwicklung parallel durchzuführen. Das heißt der neue
Wagen wird mit bewährte n Lösungen aufgeba ut und unabhängig da von nimmt ein Teil des
Teams die Entwicklung der neuen Lösung in Angriff. Erst wenn die einwandfreie Funktion
der neuen Lösung abgesichert ist, kommt sie im Fahrzeug z um Einsatz . Natürlich setzt das
eine entsprechende Teamgröße und ei n abge stimmt es Budget voraus.
Einen typischen Innovationsverlauf beschreib en Reifeku rven von zahlr eichen tech-
nischen Syste men: Anfangs arbeit en sie rei n mechanisch und mit fester, komprom issbe-
haftet er Einstellung, dara uf folgen elektris ch beeinflu sste Lösungen mit Teilversteilbark eit
und den Letztsta nd stellen elektronische Syste me dar, d ie auch anpassu ngs - und ler nfähig
sind. Bei der Suche nach ncuen Lösungen ist es von Vorte il, s ich das technisches Ideal vor
Augen halten, auch wenn es vordergründig unerreichbar scheint. Vielfach erweist sich die
sprachl iche Formulieru ng der eige ntlichen Problemstellu ng als g roßer Schritt in die richtige
Richtu ng.
Innovationen ergeben sich oft durch ei nen Werkstoffw echsel bzw. Wechsel des Fcrti-
gungsve rfahre ns . Ebe nso w irksam ka nn ein Wechsel des Wirkpri nzip s sein (Gasfede r statt
Meta llfed e r, Flüssigkeitsdä mpfung statt Reibungsd ämpf ung . . . .).
B
159
B Fahrzeugkonzept
6 Werkstoffe Ma terials
Der Konstru kteur muss über Werkstoffe bescheid wisse n, beeinflussen sie doch die Kon-
stru ktion nachhaltig. So ist beispielsweise die Formgebung vom Fertigungsve rfahren und
das wiede rum vom Werkstoff abhängig. Naturgemäß sind die Eigenschaften der StofTe
untersch iedlich , wie etwa Festigkeit, Härte, spröde, n icht korrosionsbeständ ig. tribologisch
ungünstig, leitend, Kriechneig ung, warmformbeständig, schweißbar. Alterung, chemische
Beständigkeit usw. Darüber hinaus kann die Verbindu ngstechnik nicht ohne Wissen über
Werkstoffeigenschaften ausgewä hlt we rde n.
Deshalb folgt zunächst eine ku rze Übersicht über die Konstr uktionswerk stoffe, gefolg t
von eine m Vergleich und abschließend werden Hinweise zur Auswah l gegeben.
6.1 Übersicht gängiger Werkstoffe
Die Konstru ktionswerkstoffe werden in vier Gru ppen eingeteilt, die sich weiter unterteile n
lassen:
Mcta lle
o Eisenmet alle
o Nichteise nmetalle
Pu lver- un d Sinterw erkstoffe
Nicht met a llische Sto ffe
o Ku nststoffe
o Holz
Verbundwe rkstoffe
Meta lle
Eisenmetalle ferrous metals
Stahl sreel. Stähle zä hlen nach wie vor zu den wichtigsten Werkstoffen des Fahrzeugbaus.
Das schlägt sieh auch in einem günstigen Kilopreis nieder. Aueh bei einem modernen Pkw
beträgt der Massenanteil von Stahl meh r als die Hälfte aller eingesetzten Werk stoffe. Es
gibt zahlreiche unterschiedliehe Sorten deren Eigenschaften gezielt durch Legie re n und
Wärmebehandeln verändert werden können. Stähle sind im Allgemeinen gut schmied- und
schweißbar. Wellen , Zahnräder, Federn , Schrauben und Abgasanlagen werden unter ande-
rem aus Stahl hergestellt.
Stahlguss cast steel. Ist eine durch das Herstellungsverfahren (Gießen mit anschließendem
Glühen) gekennzeichnete Sta hlform mit prakt isch de nselben Eigenschaften wie Stahl, also
schmiedbar, schweißbar und lcgicrbar.
Gusseisen cast iron, Gusseisen hat einen hohen Gehalt an Kohlenstoff, der zu m größten
Teil als Grafit (lamellar, kugcl- oder wü rmchcnförmig) im Gefüge vorliegt. Herausragend
sind vor allem die Druckfestigkeit, günstige Laufeigenschaften und sein Dämpfu ngsvcrmö-
6 Werksto ffe
gen. Viele Motorblöcke werde n deshalb auch heute noeh aus diesem Werkstoff gefertigt. So
genanntes austcnit ischcs Gusseisen ist für Leichtbaukonst ruktionen besser geeignet, weil
sei ne Festigkeitswerte annä hernd doppelt so hoch, wie je ne unl cgjcrtcr Gusseise nsorten
lieg e n.
Nic htei se n metalle nan ferrous metals
Alumi nium aluminium. Aluminium und vor allem seine Legierungen sind ein bedeutender
Leichtbauwe rkstoff Ähn lich wie bei Stahl ist durch Legieren ein breites Spektrum an Eigen-
schaften darstellbar. So gibt es Guss- und Kncrlcgi cru ngcn, di e sich durch geringe Dichte
bei hohcr Festigkeit auszei ch nen. Generell erweis en sich die Kn etlegie runge n als fester und
zäher. Dies ka nn aber durch Sondergießverfah ren (Vacuralguss, Squcczc-Casring, Thixo-
Formin g) ausgegli ch en werd en .
Für den Leichtbau interessante Abwandlungen sind Sinteraluminium und Schaumalu mi-
nium. Alum iniumt eile haben ein großes Einsatzfeld und finden sich im Motor- und Getr ie-
bebau ebenso wie im Rahmen- und Fahrwe rksbereich. Gehäuse, Deckel, Hebel, Kolben,
Schrauben, Radträger. Bremsza ngen und Halter.
vtagnestum magnesiv m. Magnesiumlegierungen zeichnen sich du rch eine extrem geringe
Dichte bei brauchbarer Festigkeit aus. Sie sind gut zu vergießen (äußerst gut im Druckgu ss-
verfahren) und leicht spa nend zu bearbeiten . Es sind auch Knetlegierungen erhältlich. Einer
nahe liegenden weiten Verbreitung stehen jedoch einige Nachteile im Weg. Einer dieser
Negativpunkte ist die leichte Bren nbark eit: Aus dem Gru nd ist sein Einsat z von man chen
Reglements an bestimmten Stellen, wie etwa im Cockpit. verboten. Außerdem sind die
Bauteile sehr kerb empfindlich und je nach Legieru ngszusa mmensetzung auch anfä llig für
Korrosion. Die nied rige Bruchdeh nung führt dazu. da ss die Teile aus Magne sium stoß- und
sch lage mpfindlich sind. Trotzdem zeige n sich ei nige Legierung en bei schwinge nde r Bean -
spruchung dau erfester als höherfeste Aluminium-Legierungen. Magnesiumlegierungen
empfehlen sieh so unter anderem für Getriebegehäuse und andere Teile die über große
Zeiträ um e dynamisch belastet werden. Auch Räder werden aus diesem Metall hergestellt.
Titan titaniu m . Titan hat einige Eigenschaften, die es für Rennfah rzeuge interessant macht.
Bei et wa de r halben Dichte von Stahl übertrifft es in der Festigkeit teilweise auch hochfeste
Stäh le. Es zeig t ei ne ge ringe Wärmedeh nung und ist sehr korrosio nsbest ändig. Auch Titan
und seine häufiger verwendeten Legierungen sind nicht frei von Nachteilen. Einmal von
den extrem hohen Koste n abgesehen, er weist sich Titan als schlechter Laufpartner. An Pleu-
elaugen werde n so Bundlagerschalen oder Beschichtungen erforderlich, dam it die Stahl-
Kurbel wang en keinen Verschl eiß erfahren. Die Kerb empfindli chk eit verlangt besonders
sorgfä ltige Gest altun g von Querschnittsübergängen und Krafte inleitungen (insbesondere
Verschraubu ngen). Trotzde m hat Titan - hohe Oberflächengüte vorausgesetzt - eine hohe
Dauerfestigke it. Der Wert für Dauerfestigkeit bezoge n auf Zugfestigkeit liegt mit etwa 0,7
bede utend höher als bei andere n Werkstoffen [B28]. Bei sehr hoch bea nspru chten Baute ilen
kann es allerdi ngs auch zu Versagen ohne merk liche vorhergehende r Deform ation kommen .
Titanlegeru ngen weis en t eilweise unterschiedliche Vera rbeitu ngseigenschaft en auf. Einige
sind gut schweißbar. andere zeigen eine hohe Warmfestigkeit. Die spanende Bearbeitung
ist bei allen Legierungen schwie rig . Bekan nte Teile aus Tita nlegierungen sind Schraube n-
B
B Fahrzeugkon zept
fede rn , Schrauben, Pleuel, Pilz ven tile . Ra dau fhäng ungsteile. Ra dnaben, Wel len, Gehä use
u nd Abgasa nlagen.
Sinte r we rks toffe powder-metal material
Sie werden nac h p ulve r meta ll urgischen Verfahren he rgestellt. Die Dichte des Wer kstoffs
kann somit in weiten Grenzen von poröse bis dicht variiert werden. Mit diesem Verfah-
ren können auch höchstschmelzende Metalle (Wolfram, Molybdän, ...) in ei ne gew ünschte
Form geb racht werden . Sinterteile sind meist klei ne filigran e Teile, wie Zahnräder, Ketten-
räder, Geberräder usw. odcr -. in po röser Ausprägung - auch Lager- und Filtcrci nsätzc.
Nrc h t m etaut sc he StotTe nonmetalli c mate rtal s
Kunstst offe ptasucs
Es gibt eine Vielzahl Kunststoffen, d ie weiter in Thermoplaste und Duroplaste ei ngeteil t
werden. Von Bede ut ung für t ragen de Bauteile sind Harze und zwa r als Matrixwerkstoff fü r
Fase r-Ku nst st off-Verbu ndwcrkstoffc.
Verb und werkstoffe comp osites
Ein Verbu ndstoffbesteht aus mindestens zwei Kompo nenten, die neb eneinander vorliegen,
also n icht inei nander ge löst sind . Solche Verb undstoffe werden u. a. d ur ch Sinte rn , spe-
z ielle Gussverfahre n ode r Trän ken vo n po rösem Halbzeug herg estellt. Durch gesc hickte
Kombination vo n einzelnen Werkstoffen lassen sich so Verbundstoffe herst ellen, di e die
positiven Eigenschaften der Bestandte ile ve rei nen und dabei deren negativen Eigenscha ften
überd ecken.
Fa se r ve rbundwe rkst offe fiher composites. Verbu ndwe rkstoffe beste he n a us einer Kom -
bination meh rerer Werkstofftypen (Name!). Ein ., faserverstärkter Kunststoff" besteht bei-
spielsweise aus Kunststoff al s Grundwerkstoff (die so ge nan nte Matrix) , in den Fasern z ur
Verstärku ng eingebettet sind. Durch die Kombinatio n der Faser mit de m Grundmaterial
lassen sich som it Verbu ndwerkstoffe mit speziell für ei ne n Einsat zb e reich abges timmten
Eige nsc haften schaffe n. Die besten Eigenschaften weisen d ie se Werks toffe in Fa ser r icht un g
auf. Deshalb werden auch Werks toffe mit kombinie rten Faserrichtungen hergestellt (bi- und
multidirektional ger ichtete Fase rn) bzw. typisch e Bautei le werden als Schale nkörper durch
ein Laminat mehrerer unidirekt tonal er Sch ichten dargest ellt. Monocoqucs von Monoposti
u nd Fa h re rzellen von Lc Mans-Prototypen sind k lassische Vertreter so lcher Tei le.
Die am häufigsten ei ngesetzten Grundwe rkstoffe sind dabei Duroplaste (Harze) und
Thermoplaste. Abe r auch Leichtmetalle und Kerami ken können so verstärkt we rden. Als
Fasern kom men Glas -, Kohlenstoff- und Sy nthesefasern (Aramid , Kevlar) In Frage. Die
Fasern haben gegenüber den ma ssiven Werkstoffen wesentlich höhere Zug fcsngkcitcn und
sind trotz ihre r hohen Härte biegsa m. Vor- und Nachteile gängiger Fasern sind in Tabelle
8 - 11 z usa m mengefasst.
Solche Faserverbu ndwerkstoffe haben zwar gute spezifische Eigenschaften , jedoch auch
ei n kom plexeres Matc rialvcrhahcn , was d ie Berechnu ng und Bauteilauslegung erschwe rt.
C F K (kohlcnstoff-fascrvc rst ärktcr Ku nststoff co rb on -fi bre reinfo rced ptasücs . In dem Fall
sind Kohlenstofffasern in einer Ha rz mat rix eingebettet. Sie haben eine hohe Steifigkeit und
Zugfestig keit bei ger inge m Gew icht. So ist es a uch nicht verw underlic h. dass bei Formel-l -
6 Werksto ffe
Ta b. 8 -11 Vergleich der Eigenschaften von Fasern.
B
Vorteile
Glasfase r
• günstige Fer tigung
• hohe Beständ igkeit
gegen über Chemi-
kalien
Kohl enst offf aser
hohe Festiqkenen
hohe Steifigkeit bei Zug
und Schub
hohes Potential zur Steige-
ru ngIVerbe sserung
kosten güns tige Produ kt ion
Synt hese fase r
• ext rem ho he Z ugfestigkeit
• hohe Z ugsteifigkeit
• nicht spröde
• gute thermis che Beständ igkeit
• h ohe Glasü be rgang stemperatur
• ho he Dimensionsstabilität
Nachteile • ger inge Steifigkeit
spröde
• an isotrope Wärme ausdeh-
n ung
• Feuchtig keitsaufnahme (hygro-
skopisch)
Fahrzeugen etwa 60 % aus CFK bestehen. Unter anderem Monocoq uc, Nase inkl. Crasbclc-
mc nt. Außenhautteile. Flügel. Teile de r Radaufhängun g, Deckel sowie Gehäuse am Motor,
Teile des Get riebes, Kupplungsscheiben und Luftführungsschächte bei Bremsen. Aber nicht
nur die statische Festigkeit ist herausragend, auch die Dauerfestigkeit bezogen aufdie Zug-
festigkeit ist höher als einiger Stähle oder Aluminiumlegierungen.
Bisher war dieser Verbundwe rkstoff für Großserienfahrzeuge in der Anschaffung und
Verarbeitung schlichtweg zu teuer. InjüngsterZeit werden abe r zunehmend Entwicklungen
in diese Richtu ng durchge-führt. Leichtbau ist ja ein Kerntherna , wenn es bei Fahr zeugen
um die Senkung des Kraftstoffverbrauchs und damit um den Cöj-Ausstoß geht. Zude m
verfügen Komponenten aus CFK neben der geringen Ermüdungsneigung über gute Crash-
Eigens chaften und ei ne hohe Korrosionsbe ständ igkei t.
:\I:\IC (Metal1-Matr ix-Verbundwe rkstoffe metal matrix compositesv . Ebens o wie die
Matrix bei CFK aus Kunststoff besteht, kann sie aueh metallisch sein. Um Gewicht zu
sparen wird bevorzug t Leichtmetall (Alum inium- , Magnesiumlegierungen) ei ngese tzt.
Die Fasern oder Part ikel bestehen etwa aus Stahl, Kohlenstoff oder Keramik. MMC sind
kriechbeständiger al s unvcrst ärktc Leichtmet alllegier unge n und ihre Festigkeit nimmt bei
Temperaturerhöhung nur wenig ab. Bekannte Teile aus MMC mit Alu minium-Mat rix sind
Kolben , Kurbelgehäuse und Radträger. Kolb en können auch mit ei ner Magnesi ummat rix
au fgeba ut ~'erd en
6.2 Werkstoffvergleich
Zum direkte n Vergleich unt ers ch iedli cher in Frage kom me nder Werk stoffe sind absolute
Werte un geeign et. Vielmehr müsse n relative Werte herangezogen werd en. Das fangt bei
der Dichte an, also beider Masse des Werk stoffs bezogen aufdas eingenommene Volumen .
Als Vergleichsw ert für die Werkstoffwahl allein reicht die Dichte jedoch nicht aus, sonde rn
es müssen die erforde rliche Masse und - je nach äußerer Belastung - die Festigkeit des
Werk stoffes (zulässige Spannung; zulässige Formände rung. ...) in ein Verhältnis gesetzt
werden.
Die spez ifische Steifigkeit E/(gp) vergleicht das Längs-Verformungsverhalten (E = E ·M od ul,
s. Anhang) bezoge n aufdas Gewicht. Die Reißlänge Rm/(g p) stellt anschaulichjene Länge
163
B Fahrzeugkonzept
dar, bei der ein aufgehängter Stab unter seinem Eigengewicht reißen würde (Rm
-: :. Zugfes-
tigkeit, s. Anhang). Die Knicksteifigkeit von Stäben bezogen aufdas Gewicht qu antifizier t
der Term .JEI(g ' p ). Tab elle B~12 liefert einen Überblick über wichtige Eigcnschaftsgrö-
Ben gängiger Werkstoffgr uppen.
Tab . 8 -12 Werk sloffvergleich. nach (828]
Werk stoff
p
E
Rm
E!(gp) Rm/(gp) .{i!(g -p)
[kg/drn"] IN/mm2) IN/mm1) lkm] (km]
Imlr.JN1
Stah l
7,85
210.000
500
2.675
6 .37
5 .95
AI-Legierung
2.10
70,000
350
2.593
12.95
9,99
Mg-Legierung
1.74
40.000
330
2.299 18 .9 6
11,12
Ti-Legierung
4,50
102.000
900
2.267 20 ,00
7,23
PA 6 (troc ken)
1,15
2.500
80
217
6,96
4,43
GFK-UD 11(50 %)
1,95 40.000
800
2.051 41 ,03
1.95
CFK- UD2l (50 %)
1,40
250.000 1.000 17.857 71.41
36 .41
AFK-UD3l (50 %)
1.35
65.000 1.500
4.815
111 ,11
19.25
Be ryllium
1,85
245.000
400 13.243 21,62
27,27
Hol z
0 ,50
12.000
100
2.400
20
22,33
' 1Glasfase rve rstär kte Kuns tstoffe uoidireknc nal
2) Kohl ens tofff ase rve rstä rkte Kuns tstoffe
3) Aramidfaserverstärkte Kuns tstoffe
Beryllium weist nicht nur eine extrem hohe Steifigkeit auf, sondern stellt diese bei einem
gering en spez ifischen Gew icht zur Ver fügu ng. Entsp re che nd groß ist se ine Reißlänge. Unü-
bertroffen in die ser Hinsicht ist allerdings unidirektionales AF K. Wie überhaupt alle Faser-
verbundwerkstoffe in dieser Tabelle bei der Reißlänge vorn liege n. Auch Holz kan n als
Konstruktionswerkstoff für den Leichtbau interessant sein - es hat dieselbe Reißlä nge wie
Titanlegierungen. Wenn es um Längssteifigkeit bei geringem Gewicht gehl. ist unid ircktio-
nalc s CFK die erste Wahl. Es weis t d ie g rö ßte spez ifische Stei figkeit auf. Bei ge w ichtsspa-
renden Dru ckstäben können Magnesium -Legieru ngen eine interessante Alternative sein.
Sie haben eine höhere sp ezifische Knicksteifigkeit als beispielsweise Stahl sowie Titan - und
Alum iniumlegie runge n. o bwohl sie eine n wesentli ch klei nem Elasti zitätsmod ul als di ese
haben.
Die A uswirkung höherer Werk stofffestigkeit illustriert Bild B-27 anscha ulich. Die
höherfeste Schra ube ka n n bei gleic her Belastu ng klei ner au sgeführt werd e n. Dam it kann
auch die Umgebung der Schraube entsprechend kleiner gestaltet werden und da mit wiede-
rum wird die gesamte Konst ru ktion leichter. lnncnscchskantschraubcn (DIN 912) sind in
dem Zusammenhang besonder s günstig.
6 We rkstoffe
Schra ube 11110
Qua lität 6 .8 CLL.' -. G
t "'0 "~-;;y
'-- - - - '""f1'<J -71- <
,,", >ob< "~
cuarrrät 10 .9
Bild B-27 Einfluss der Werkstoff festigkeit auf das Gewicht. nach [B36].
Die äußere Belastung ist für alle vier Verbindu ngen gleich . Die Schra uben we isen j ed oc h unte rsc hied-
liche Festrqkeüen auf und des halb müssen d ie Abm essung en d er Schrau ben u nter schiedlich sein. Die
resultierende B eansp ruch ung (Spannung) ist für alle gleich groß. M it höherfestem Mal erial lässt sich also
auch Mas se spar en.
6.3 Werkstoffwahl
Zur Auswah l d es Werks toffes werde n wirtsc haftliche und techn ische Ge sichtsp u nkte
betrac htet . Welche übe rw iege n hängt von der Aufgabe nstellung u nd vo m Budget ab . Ein
Kriterium muss auf alle Fälle sichergestellt sein: Die Festigkeit muss fü r die Erfüllung der
Funktion ausreichend sein. Die Wahl von Werkstoff und Fertigungsverfa hren ist darüber
hinaus nicht imm er unabh ängig voneinander möglich . Bestimmte Werkstoffe können nur mit
gewissen Fertigungsve rfahren in die gewünschte Gesta lt gebracht werde n (Gusstcilc. Sinter-
teile, .n) und umgekehrt schrä nken manche Fertigungsverfahren die Werkstoffauswa hl ein
(Schwcißtcilc, Erodic rvcrfahrcn, Ziehteile . ...). Umformverfahren haben den Vorteil Mate -
rialfchlcr (Fehlstellen, Poren, ...) zu verschweißen und einen k raftflussgerechten Faserver-
lauf zu ermög lichen. Sie bieten sich dadu rch fü r sicherheitsrelevante Teile. die einer Dauer-
schw ingbca nspruchu ng ausgesetz t sind. an . Alle rd ings ist der Werkz eugaufw and für kleine
Stückzahlen zu groß und der Zeitaufwand für eventuelle konstruktive Änderungen sind im
Vergleich z u Schweiß- ode r Frä steile n u ngleich größer. Aus de m Vollen sp anen d hergestellte
Teile für solche A nwendunge n durc hlaufen zahlreiche Fertigungsphasen. Sie müssen unter
anderem spannungsarmgeglüht. kugelgestrahlt. poliert und einzeln gep rüft werde n.
In den höchsten Klassen de s Motorsport s werden gern e Werkstoffe eingeset zt, die nicht
genormt u nd am f reien Ma rkt sc hwer ode r ga r nicht erhältl ich sind. So lche Werkstoffe sind
natu rgemäß teuer und habe n lange Lieferzeiten.
Folgende Kriteri e n kön nen allge mein zu r Werks toffbe urteilu ng u nd -auswa h l he ra nge-
zogen werde n:
I. Zur Sicherst ellung der Funktion: Festigkeit (Zeit, Temperatur•...), Härte. Elastizitäts-
modul, Bruchdeh nung. Korrosion; Wärmed ehn ung, wärmclcitung : elektrische Eigen-
schaften, tri bologische Eigenscha ften ; Haptik (s. A nha ng); Dä mpfu ng seige n schaft en,
akust isc he Eigensc hafte n,
B
165
B Fahrzeugkon zept
2. Gewic ht des fertigen Bautci ls,
3. Fcrtigungscigcnsc ha ftcn: Gießbar. sch m ied bar, schweißbar, t ie fz ieh fä hig USW. ,
4. Mate r ialkosten.
Be i größeren St ückzahlen kommen noch folgende Kr it er ie n h inz u:
5. Erfo rde rliche Investitionen zu r Bearbeitung und Prüfung,
6. Laufende Kosten in der Fertigung,
7. Recycli ng möglichkeit.
Einige Überlegu ngen zu einzel nen. oben angeführten Kriterien: Es genügt nicht eine höhere
Festigkeit allein anzustreben. Die Zähigkeit, d.h . die plastische Vcrfo rmbarkeit, er möglicht
bei ungleichmäßig verte ilten Beansp ruchun gen den Abbau von Spa nnungsspitzen und ist
ei ne der bedeutends ten Sic he rheusfa ktore n. die ein We rkstoff b ieten kan n. Im Allgemei ne n
ni m mt die Zähigkeit der Werks toffe mit höherer Festigkeit ab. Es muss also au f eine Mi n-
des t zä higkeit geaehtet we rde n, damit d ie Vorte ile de r plastisc he n Verfo rmbarke it gewährlei-
stet sind. Gefahrlieh sind Fälle, in de nen der Werkstoff mit der Zeit ode r au s ande ren Grün-
den verspröder (z . B. Strahlu ng, Korrosion, Temperatur ode r durch Oberfläche nschutz ) un d
dadu rch die Fähigkeit verlie rt, sich bei Überbeanspruchung plastisch zu ver for men . Dieses
Verhalten tr ifft besonders bei Ku nst st offe n zu .
Bei Serienkonstruktione n stehen d ie Ko ste n weit obe n a uf der A nfo rder ungsl iste . Hie r
wird ein wirtschaft licher A nsatz be i de r Werkstoffwahl bevorzugt werden . Das kos tengün-
stigste Mater ial, das gera de die Belastung erträg t, w ird ei ngesetzt. Will man Gewicht d urc h
leichteres Material sparen, werden die Kosten zu nehmen , weil im Allgemeinen die Werk-
stoff preise mit sinke nder D ichte ste ige n.
Die Bcar bcitba rkcit des Werkstoffes ist für die Fert igu ngskosten wese ntlich. Das ist
besonders wic ht ig bei große n Baute ilen u nd der He rstellun g großer St ückzahlen. Je le ich -
ter ein Werkstoff zu zerspä nen ist, desto günstiger ist er für die Fertig ung. Werkstoffe sind
im Allgemeinen urnso leichter zerspanba r. j e geringere Festigkeit (Härte) sie haben. Grau-
guss verhä lt sich ungefähr wie Stahl mittlerer Festigke it. Kupferleg ierunge n. Kunststoffe,
insbesondere abe r Leichtmetalle sind im Allgemei nen leichter ze rspanbar als Stahl. Hoch -
feste , austc nit ischc Stä h le oder Sonderstahlguss (nicht rostend und/oder hitzebeständig) sind
schwe r zerspa nbar .
Darü ber h ina us soll d ie Werkstoffwa h l gerade bei "exotisc hen" Werkstoffe n sc hon in der
Konzept phase ei nes Proje kts erfo lgen. Nicht selten ka nn näml ich das Wu nsch ma terial nic ht
eingesetzt we rden , weil es nicht kurzfristig verfügbar ist.
7 Kosten Casts
Dieser Abschnitt könnte hin fällig sein, wenn folgende Aussage stimmt: Rennfah rzeuge wer-
de n - abgesehen vom Reg leme nt - streng nach rein technisc hen Gesichtspunk ten ausgelegt
un d deshalb sind Kosten kein Thema. Wahr ist jedoch, das Kosten im mer ein Thema sind.
Die Frage ist nur , m it welcher Wichtig keit, s ie in die Überlegungen bei de r Konzept ion eines
Fa h rze ugs ei nbezoge n werden. Bei Serienfahrzeugen sin d die Ko ste n, insbesondere d ie Her -
stellkoste n (und hierin die Materi alkosten), an erster Stelle. Hier zahlt sich ei ne Opti mierung
der Herstel l- und Mo ntageve rfahre n im wahrsten Sinn des Wortes au s. Bei Rennfah rzeugen ,
von d enen oftmals n ur we n ige Ei nz elstücke ge ba ut werden liege n die Din ge a nders . Trotz-
7 Ko sten
B
dem hat auch ein Formel-I-Team ein (endliches) Budget, mit dem es auskommen muss und
das in Einzelbereiche nach diversen Kriterien aufgeteilt werden muss, Bild B-28. Bei der
Konzeption müssen sich also alle Konst rukt eure nach der Decke strecken, wenngleich diese
natürlich nicht für alle gleich hoch - oder besser - nieder hängt. Kosten sind also ein Thema
undjeder Konstrukteur wird gut datun tun, sich zu überlegen, was ihm wie viel Wert ist. Bei
diesen Überleg ungen können die (für manchen rein theoretisch anmutenden) Erkenntnisse
au s Abschnitt 3.2 Konzeptvergleich. A nteil ein zeln er Baugruppen an den Fahrleistungen
hilfreich sei n.
Bild B-28 zeigt (im doppelt logarithmi schen Maßstabl), da ss die Formel I bei Teamgrö-
ße und Budget herausragend ist und für Vergleichsz wecke bei Kostenbetrachtungen unge-
eignet ist, weil sie eine Welt für sich darstellt. Privatteams. die beim Langstreckenrennen in
Lc Mans teiln ehmen, verzichten teilweise auf gew ichtssparende Werkstoffe, weil bei einem
regle me ntbed ingt en Mimlestgewicht d es Fahrze ugs, d ie Mehrkos ten nicht z u rec htfer t igen
sind. So werden im Motor Stahlpleuel anstelle von Titanpleuel eingesetzt. Auch die Ventile
im Zylinderkopf werden aus Sta hl hergestellt und nicht aus Titan. Natürlich hätten Tita n-
ventile wegen ihrer geringeren Masse Vorteile für den gesamten Ventiltrieb - eine mögliche
schwächere Ventilfede r erzeugt weniger Reibung an der Nockenwelle und benötigt gerin-
gere Öffnungskräfte usw, - aber unter dem Strich sind die Vorteile eben nicht so groß, dass
sich der tcurc Werkstoff auszahlt.
--- --- )--...;
200 3 00400
------- f
-
-
-
-+
.....................+
-
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•
100
345678910
2 0 304050
Jahresbudget [ 106 E: ]
2
10
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100
•
~
0
L
0
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50
•40
•
~
30
• Formel 1
• Formel 3
. . Tourenwagen 0 Sportwagen O ander e
Bild B-28 Übers icht Budge ts und Teamgrößen im M otorspor t. nach [B31].
Für fünf typische Motorsport kateg orien sind Jah resbudgets den Mitarbeiterzahlen gegenübergestel lt. M it
Abstand die größten Team s und die höchsten B udgets find en sich in de r Formel 1 (man beachte den
doppelt log arithmisch en M aßstab '). Am ande ren Ende des Feldes schaffen joemstteams mit 10 bis 20
Mitgl iedern m it einem Br uchteil des A ufwands eine Saison auf hohem Niveau.
B Fahrzeugkon zept
o
5
10 15
20
25
30
35
40
allgem . Baustähle~~1 ,1 ---(Bezug)
rel. Werkstoffkosten K? (.]
Einsatzs t ähle
~'.' 1-2 ,3
•
~ Vergutu ngs s tähle
1,2 -2 ,7
~
s:
warmfeste Stähle ~_2,O.2,9
'.
~
~ Nitrierstähle
::::J2,6
nichtrostende St .
3,2 -5 ,8
hochwarmfest e St .
5,1 -9 ,2
Rundmat erial
•
Mess i ng
6,8 -8
~ Kupfer -Knetleg.
17, ·27
~
•~
Rei nal umini um
~;
•
> Alu -Knet legie r ung
2 ,9 -3,9
i
w
z
Titanknet leg.
39, 6
~
PVC
1
!
~
0
Polya mid
~,'
~
• Pl e xiglas
3,'
..........!
~
• Hartgum mi
=:34,5
c,
PTFE (Teflon )
15
•
N
~
Fichte
0,06
0
z
. ... .... .... ... .... ... ... . ... .... .... .... .... ... .... .... .. ...... . . . .... ... .... .... .. . .... .... .... ... ... .. ...
Bild 6 -29 Relativkos ten ausgewä hlter Werkstoffe, nach (836).
Als Bezug für d ie relativen We rkstoflkosten d ient Rundma terial a us Baustahl. Streubereiche ergeben
sich für werkstorte mit unterschiedlichen Sorten. Die Kosten s ind auf das Vol umen bezogene Bru tto-
kosten. Beisp ielsweise kostet 1 dm3 Trtanknetleqierunq etwa das Vie rzigfache von Baustah l desse lben
Vo lumens.
Teams sehen es auch gar nicht gerne, wenn ihre Fahrer übertrieben hart am Limit fahren.
Das belastet nur das Budget. Ebenso wird in der Testphase versucht möglichst effizient zu
arbeiten, indem etwa einzelne Testpunkte vorher geplant werde n. Entwicklungsmethode n.
mit denen das Testen auf der Strecke reduziert werden kann , sind inzw ischen auch für
For mel-I -Tea ms eine Überlegung wert. Kostet doch ein Test-Kilomete r unter dem Str ich
rund650E,
Werkstoffkost en material costs . Wen n auch d ie Absolutpreise d e r Werk stoffe üblich en
Marktschwan kunge n u nterworfen sind, so bleiben die Preisrelationen doch einigerm aße n
über Jahre konstant und verhalten sich etwa wie:
Stahl:Aluminium:GFK:AFK:CFK= I :5:10:!OO;500[B28].
Mit sinkendem spez ifischen Gew icht werde n die Werk stoffe also teurer.
Mit relativen Werkstoffk osten ergeben sich Vergleichsgrößen. d ie auch über längere Zeiträu-
me - selbst bei Preisschwanku ngen - ihre Relation zueinander ka um verändern . Einige
Beispiele für Relativkosten nach VDI 2225 sind in 8 ild 8 -29 angeführt. Dabei werd en die
Kosten pro Volume n auf einen gängigen Werk stoff (Baustahl Rundmater ial) bezogen.
Beim Vergleich von Werkstoffkosten ist allerdings entscheidend die Menge zu verglei-
chen, die fürdieselbe Belastung gebraucht wird. Höherfeste (und damit in der Regelteurere)
Werkstoffe können unter dem Strich sogar kostengünstiger sein , weil fürdenselben Einsatz-
zwe ck weniger Material gebraucht wird , vgl. Bild B-27.
7 Ko sten
B
Sollen Bleche mitei nander verbunden werde n, wie es bei m Rahmenbau, bei Flügeln oder
Auße nhautteilen vorkomme n kan n, muss eine Verbindungstech nik ausgewählt werden .
Neben funktionellen (Stöße, Übc rluppungcn, ...) und Festigkeitsüberlegungen können auch
die Kosten eine Rolle spielen, Tabelle 8 · 13.
Tab . 8 -13 Relativkosten von Blechve rbi ndu ngen [836].
Verbindu ng
Punkt-
Kleben Nieten
sch weißen (Araldit)
Schweißen Sch rauben Hartlöt en
(Lichtbogen)
Retanvkostenzat u
1,7
2,6 - 3,5
2,9 - 4.4
3,6 - 4,4
3,7 - 6,9
(3 mm Stahl- bzw . Alum iniumblec he, Losgröß e 200, Fertigung skosten ohne Werkst offkosten)
Absolutpreise sind insofern problematisch. als sie markt üblichen Verä nderungen unterwor-
fen sind und Zahlenangabe n daher rasch veraltern. Nachfolgend stehen trotzdem ei nige Zah-
lenwerte, die zu einem Gefühl für die Größ enordnung verhelfen sollen.
2000 E, " naeh oben keineGrenze"
13000 €
110 000€
45000 € (2002)
88000€
ca . 100000 €
1300 bis 4000 €
ca. 1500 € (2004)
Carbon-Brcrnsscheib c Formel I
Formel-l -Rad, Magn esium ges chmiedet
Einroh r-Dämpfe r Zug+und Druckst ufe
getrennt einstellba r
Formcl-l -Kohlcfascrkupplung mit Titankorb
Formcl-l -Längsgctricbc mit integriertem Achsantr ieb
Formel BMW Fahrzeug
Formel 3 Fahrzeug (Dallara 20 (7)
Produkt ionssp ort wage n (ohn e Moto r):
Wenn man viellcieht nicht viel daraus ableiten kann, eines erkennt ma n sofort daraus: Ohne
Sponsoren läuft im Rennsport nichts!
Sicherheit
Safety
Mit Renn fah rze ugen wird versucht möglichst schnell ei ne bestimmte Strecke zu durch-
fah ren. Die G renzen geben dabe i in erster Linie die Motorleist ung, die Haftung der Reifen
und das Können des Fahre rs vor. Das oft zitierte Fah ren im Grenzbere ich ist eine G ratwan-
derung, bei der die G renzmarken nicht oder nicht immer sichtbar sind. Möglichst schnell
fahren kann daher auch bedeuten die Grenzen zu überschreiten. Weil dies oft bei hohcr
Geschwindigkeit passiert, komm t dem Schutz des Fahrers eine hohe Bede utung zu. In dem
Zusammenhang gibt folgendes Zitat die Entwicklungsr ichtung vor:
"Speed does not kill. but a sudden lack ofit does " ( Henry La bouchc rc ).
Nicht die Gesc hwindigkeit ist tödlich, sonde r n de ren plötzliche r Verlust.
c
c Sich erheit
1 Fahrzeugaufbau Vehicle co nstruc tion
Bei eine m offenen Cockpit müssen zum Sch utz des Fah rers besond ere Maßnahmen ergr if-
fen werde n. Oc r A ufbau solcher Fahrzeuge soll a n dieser Stelle beispiel h aft f ür alte zwei-
spur igen Fahrzeuge betrachtet werden. Im Prinzip findet sich dieser Aufbau ja auch bei
anderen Wett bewerbsfahrzeugen.
Ocr Fah rer wird so im Fahrzeug untergebracht, dass seine Füße hinter de r Vorderachse
liegen. Die Querspanten der Hauptstruktu r werden von drei Schottwänden bzw. Überroll-
bügel gebildet. Ocr mittlere Überro llbügel muss mindes tens d ie Höhe de r Oberkan te des
Lenk radk ranzes erreichen . Ein zwe iter Übe rroll bügel schützt den Kopfbereich des Fah rers
und ist h inter dem Fahre r angebracht. Sei ne Höhe ist so bemessen, dass eine gedachte Ver-
bindungsgerade zwischen den höchsten Punkten der beiden Bügel so über dem Helm des
Fah rers in Fahrstellung (Hä nde am Lenkrad) verläuft , dass noch ein Sicher heits absta nd
(z. B. 80 mm nach FIA An hang J Art. 258) bleibt. Der Gedanke hinter dieser Forde ru ng ist
die Vorst ellung, dass de r Wagen aufebener Fahrbahn übe rrollt. Dann liegt das Fahrzeug auf
diesen Stelle n der Überrollbügel auf und der Fahrer benötigt einen Überlebensraum. auch
wen n sich d ie Ü berrolls trukt ur deformiert.
Vor de m Fußhebelwerk angeordnet erstrec kt sich ein sto ßaufnehmender Bereich , der die
Krä fte eines Frontalaufpralls in den Rahmen weiterleitet und selbst durch seine Defor mat ion
das Fahrzeug so verzögert, dass die Maxi malwerte der Beschleunigung unter dem für den
Menschen ert ragb are n Li m it ble ib en . Bei Abna h me tests wird der Beschleunig ungsverla uf
über der Zeit erfasst. Die Besc hleunigung da rf dabei einen bestimmten Wert nu r für wenige
ms übersch reiten . Ein Crasheleme nt da rfalso nicht zu ste if sein, damit es beim Aufprall einen
gew isse n Dcfo rmario nswcg u nd d am it ei ne Dcfor ma tionszcit zulässt. Die ki netisc he Energi e
des Fahrze ugs wird bei eine m Unfa ll in Verfor mu ngse nerg ie u nd Wär me um gew an delt .
\_,~,,,J
J ,-I
,J
Bild C -1 Fahrzeuqautbau Schema .
1 vordere Schu tzzone front prot ection area
2 vordere Schottwand front bulkhead
3 mittlere Schottwand middle bulkhead
4 Feuerlösche r flre exringuisher
5 Seitenaufpra llschutz sae impact pro recrion
6 Flammschutzwand firewal/
7 Knaut schzone für krattstotttan k fuel tank
deformable structures
8 Überrollbügel vorne assn rollover rooo
9 Überrollbügel hinten rear ro/l over rooo
10 Fahrerschulte rschut z drivers srooaer pro -
tection area
11 Heckaufprallelement rear crash element
1 Fahrzeugbau
c
Bild C-2
Beispiel einer vorderen Schutz-
zone an einem Monopesto (For-
mel BMW).
Dieses Cr ashelement besteht
aus CFK-Laminat und ist an der
vorderen Sch ottw and nur im Be-
reich der äußeren Spanten ange-
schraub t. Die Nasenverkieic unq,
die den Frontflügel trägt. wird
darüber gestülpt.
Bil d C-3
Crasherement vorne an einem
Produktion ssportw agen.
Das Crashe lement besteht aus
CFK-Laminat und ist am vorde-
ren Ende des Rahme ns befestigt.
Der Rahmen ist ein mit A lumini-
umb lech bepla nkter Stablqrtter-
rohrrahmen.
Zum Schutz des Fahrers bei seitlichem Anprall werde n seitliche Dcformationsclcrncntc
(Scitc naufprallsc hutz) vorgese hen.
Der Bereich des Kraftstofftanks und des Motors wird bei allen Fah rzeugen durch eine
Flammschut zwand vom Fahrerbe reich get rennt. Wird der Kraftstofft ank im Fahrzeugi n-
nenr aum ohne Schottwa nd zum Fahrer hin eingebaut. muss der Tank in einem eigenen
feuerfesten Sicherheitsbehä lter untergebracht sein.
Weitere umschließende Behälter. z . B. aus GFK. sind vorgeschrieben. wenn die Batteri e
im Fahrzeuginnenr aum untergebracht ist. Diese müssen elektrisch isolieren und mögliche
aus der Batte rie austretende Flüssigkeiten auffangen.
Das hi ntere Fahrzeugende weist ein Heckau fp rallelem ent auf. Dieses wird am hinteren
Ende des Getriebegehäuses oder am Rahmen befestigt. Bild C-4.
c Sich erheit
Bild C- 4
He ckauf prallelement eines M onopo-
SIO(Oaja ra Formel 3).
Das Element w ir d an das hintere
Ende des Getriebegehäuses ge-
sc hra ubt. Das Elem ent besteh t aus
CFK-Lamin at in Sa nd wichb auw eise
und ist topfförmig hoh l. Es we ist ein e
verh ä ltn ismä ßig g roße Gesamtwand-
stärke von etwa 20 mm auf. Diese ist
ertorcerucn damit das Element einen
Heckauf prall trotz seiner g ering en
länge ausreichend verzögern kann.
Überlebe ns zelle s ur vival cell. In vielen Regle ments wird mittler weile ein Min dcstbcrcich
vorgeschrieben, der dem Fahrer bei ei nem Unfall da s Überleben sichern soll. Beispielh aft
zeig t Bild C-5 die Außen- und Innenabmessungen einer solchen Zelle. Sie wird für Einsit-
ze r herangezogen und kann somit gut fü r die Gestaltung eines ei n- ode r zwcisitzigcn Fahr-
zeug s als Gru ndlage bei de r Festlegu ng der Hauptabmessu ngen verwen det werde n.
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Bild C· 5 Überlebenszelle für einen Formel -1·Wa gen : a) Inne nber eich und b} Außenbe reich.
Die Ze lle m uss min. 300 vor den Füßen {bzw. den Ped alen im unbe t ätiqtem Zus tand} beginnen und den
Kraft st offtank einschlie ßen. Der M in im alb erei ch zw ischen Fah rer rü ck e n und Tan k ist festge legt. Ebenso
sind Mind est ab m essung en fü r d ie Emsneqsöt tnunq vo rgeschrieben. Die Mindestabmessungen des In-
nen be reichs sind ab 100 mm hinter der Fußsohle festgesetzt (Schnit t X-X).
2 Schalter
Solche Zellen werde n a uch bei zweisitzigen Fahrzeugen vorge se he n. Fahre r und Beifahr er
sitzen da nn in je eine m eige nen .,Monocoque", dass nicht tragende Strukt ur des Fahrzeugs
ist, sondern im Gegente il wie ein Sitz im Fahrzeug ve ran kert ist.
2 Schalter Switches
Der Feuerlöscher soll von auße n. z. B. von einem Strec kenposte n. betätigt werden können.
Der Gri ff für den Ausl ösezug bzw. de r Schalter muss mit einem Symbol (siehe Bild C·6)
gekennzeic hnet sein .
Der Strom kreis muss von au ße n unterbrochen werden können . Dieser Ha uptschalter
imaster s witch s muss mit einem Symbol (siehe Bild C-7) geke nnze ichnet sein . Er muss
fu nkenfrei öffne n.
Der Hauptschalter ist von außen zu gänglich angebracht. damit ih n Strecken poste n ein-
fach err eiche n können . Es ist auc h ersichtlich wie de r Scha lter betätigt werde n mus s und wo
die Aus-Stel lung ist.
Bei Rundstrec kenren nfahrzeugen muss die Kraft stof fpumpe vom Fahre rplatz aus abge-
schaltet werden können, z. B . mit einem Kippschalter.
c
Bild C · 6 Symbo l zur Kennzei chn ung des Feuer-
löscher au slö sers.
Diese Kennzeichnung mu ss mindeste ns 10 cm
Durc hmess er aufwe isen. Die Schrif t ist rot auf wei -
ßem Gr und.
Bil d C-7 Symbo l zur Kennzeich n ung des Haupt -
scha lters lür die Spannungsve rs o rgu ng: ein roter
Blitz auf blauem Gr und .
Bild C-B
Sicherhe itsscha lter an eine m Tou -
r enwagen.
Die beiden Betätigung en für Feu-
er löscher und Strom unterbre -
ch ung können von außen erlol-
gen. Die Schalter sind daher aul
de r li nken Se ite der Fah rzeugf ront
vor der Windsch utzscheib e an -
geb rach t. Die kenn zeichnenden
Symbole befinden sich a ul der
Moto rha ube.
c Sich erheit
eue c-s
Anordnu ng des H a uptschal ters.
Bei d iesem Hauptschalter i st vo r-
bil dlich die Betätigungs richtu ng
und d ie A us-Stallung be zeichnet.
3 Schutzeinrichtungen Pro tecting device
Überrot lvorrtchtu n g rollove r structu re
Überrollkäfige (ro lleage) als Hauptbestandteil ein er Überrollvorrichtung sind wesentlicher
Bestandteil der Schutzvorrichtungen für Prod uktionssportwagen . Tourenwagen . G'I -Fahr-
ze uge. Rallyefah rzeuge usw. Die Hauptbestandteile sind in de n FIA·Vorschriftcn [e03} fest-
geschrieben, die die Basis fü r viele nationale Vorsch riften bilden . Überrollkäfige, d ie nicht
diesen Bauvo rschriften entsprechen, kön nen ebe nfalls ei ngesetzt werde n, müssen jedoch
einen statischen Belastu ngstest bestehen, Kapitel C 4. Alternati v kann dieser Test durch
eine FEM-A nalyse (s. Anhang) eines akkred itierten Instituts ersetzt werde n.
Der Hauptbügel befi ndet sich h inter den Vordersitzen und überspan nt in einem Stück
die gesamte Fah rgastzelle. Der Biegeradius de r Mittellinie muss mindestens das Dreifac he
de s Rohrdurch messers betrage n. Daran ang eschlossen bilde n entweder zwei seitliche Bügel
oder ein durchgehende r vordere r Bügel die weitere Struk tur. Diagon alstreben versteifen
diese Struktur zusätzlich. Den Flankenschutz überneh men Diagonalstreben in de n Türoff-
nunge n. In Fahrtrichtung wird der Hauptbügel von den hinteren Abstützungen gehalten. Die
gesamte Überrollvorrichtung muss in der Seitenansicht zwis che n de n Punkten des Fah r-
werks untergebracht sein. d ie die Radkräfte au fnehmen , als o z wischen den Befestigungen
Bild C·10
Rennunfall.
Das Fahr zeug hatte ku rz z uvor
in einem leichten Rechtsknick
einen Reifenstapel to uchie rt, fuhr
auf zwei Rädern weiter und üb er-
rollte sch ließlich nach links in den
Straßengraben. wo durch es sich
noch mehrmals überschlug , Der
Fahrer blieb unverletzt und konn-
te selbst auss teigen.
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12l 45x 2.5
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12l4h l.5
c:::J 12l 4Ox 1
Rohrmaße in mm
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3 Schut zeinrichtung
Bild C -11
Heocteternente eines Üt e rroä-
käfigs. nach FIA Anhang J Art.
253 [C 31.
1 Hauptbüge l main rol/ba r
2 vo rdere r Büge l front rollbar
3 seitliche r B ügel lateral reu-
rol/bar
4 Türstr eben door aose-
struts
5 Diag onalstr eben d iagonal
members
6 Dachd iagonale roof diago -
nst memoer
7 hinter e Abstül zung back-
stay
c
von Aulba ufede rn und Dämpfer. Zusätzliche Streben dürfen als Verstärk ung ei ngearbeite t
werden. Diese können auch demontierbar, etwa durch Verschra ubung, befestigt sei n.
Die prinzipiell erlaubte n Möglichkeiten Überrollkä fige au s Bügel n aufzubauen ze igt
8i1d C - 12. Diese Bügel müssen alle au s einem Stück ohne Verbindu ngen hergestellt sein .
Sämtl iche Rohre des Käfigs dürfen keine Flü ssigkeiten leiten .
.)
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2
4
b)
Bild C- 12
Aufbaumög lichke iten von Oberroücänqen
a Hauptbügel (1) mit zwei seitlichen Ha lbbügeln
(2,
b Hauptbügel (1) und vorderer Bügel (3)
c zwei seitliche Bügel (4) mit Verbind ung hinter
Vordersitzen
c Sich erheit
Ocr Überro llkäfig muss über Befestigungsfüße um Rahmen bzw. Fahrgestell befestigt sein.
Jedes Bügelende und jede Abstützung muss einen Fuß aufweisen, d. h. jeder Käfig muss
mit mindestens sechs Füßen versehen sein. Diese Füße müssen mit mindeste ns drei MS-
Schraube n mit ei ner Qualität 8.8 am Rahmen über Verstärkungsplatte n versch ra ubt sei n,
Bild C-t3.
3
Bild C·13
Befestig ung von Überrollkä t igen am Rahmen.
1 Bügel- b zw . Ve rst rebungsen de
2 Befestig ungsfuß. Mindestens 3 mrn d iCk und
nicht d ünner als das Rohr, an das d ie Platte an-
geschweißt ist
3 Blech des Fahrgestells bzw. der Karosseri e
4 ve rstärk unqsplat te. Mindestens 3 mrn d ick und
minde sten s 120 cm2 Fläche. Bei den Füßen der
hinte ren Abstützung reich en 60 cm2. Diese Plat-
te kann auch direkt mit dem Befestigungsfuß
verbun den sein. In dem Fall muss sie a lle rdings
mit der Karosserie verschweißt werden.
verbindu ngsstelle n und Kreuzungen von Streben können verstärkt werd en. Erlaubt sind
kurze Strebe n oder Knotenbleche. Bild C -14 . Die Mindcstwa ndst ärkc die ser Yerstärk unge n
muss über I mm liegen.
Bild C -14
Verstärkung einer Verbind ung mit Knetenble ch.
Die Befestigung von lösbar en Streben an Bügel und Befestigungen zwischen seitlichen Halb-
bügeln und dem Hauptbügel dürfe n nur von der FIA anerkannte Typen sein, Bild C- t5.
Für Produktionssport wagen und Rallye-Fah rzeuge muss das Erschei nungsbild des Über-
rollkä figs in der Türöffnung ein bestimmtes Aussehen haben, Bild C-t6.
Im Cockpitbereich müssen die Teile de r Überrollvorrichtung mit einer schwer enttlamm-
baren Polsterung (FIA Standard 8857-2001 Typ A oder B, SFI-Spezifikation 45.1) versehen
sein, die Kontakt mit dem Fahrer bzw. Beifah rer haben könnten, Bild C-t7. Bem erkenswert
bei den zulässigen Polster ungen ist ihre - zumindest aufden ersten Blick - unerwartet hohe
Härte. Sie wirken auch nur im Zusammenspiel mit einem Helm wunschgemäß cncrgicab-
sorbic rcnd. Eine vielleicht nahe liegende Polsteru ng mit ei nem weichen Sch aumstoff ist für
diesen Zwe ck gänzlich unge eign et.
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3 Schutzeinrichtung c
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Bild C-15 Auswah l von Verbind ungen, d ie von der FIA anerkann t sind.
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Bi ld C-16
Türöff nu ng mit Über rollkäfig, vo rg e -
schriebene Maße [C03].
Teile des Überroll käfig s müs sen be -
stimmte Maße im Verhältnis zur Tür-
öffnung einhalten.
Bild C·17
Beispiel einer Schut zpolsterung rol/cage padding.
Abgebildet sind die Ansicht und der typische Quer-
SChn itt einer Verkleid ung fü r Roh re mit 45 mm
Durchmesse r.
Werkstoff. Empfohle n werden nicht hoch feste Stähle, sondern im Gegenteil nicdriglcgicr-
t c, kohlenstoffarme Stä hle. Diese s ind besse r sc hweißbar (C- Gchalt unter 0,3 Masscn-%)
und weise n vor allem ein großes verformungs vermögen auf. Die große Dehnbarkeit ist beim
eigentlichen Einsatz de r Überrollvo rric htung, also bei einem (Mchrfach-)Übcrschlag, ent-
scheidend für die lebensrett ende Wirku ng,
Tab. C -1 Vorschrif ten für Rohre von Überrollvorrichtungen nach FIA Anh ang J Art 253.
Mindestqualität
Rm
N/mm2
Mindestmaße
Einsatzstelte
[m m]
na htlos, kattverto rmt .
Unleg ierter Kohlenstoff stahl
350
45 x 2,5 od er 50 x 2,0 Hauptbügel, seitliche Bügel und
deren hintere Verbindungen
38 x 2,5 ode r 40 x 2,0 seitliche Haibbüqel, Strebe n
Üb errollstrukturen rollover str ucture. Be i z we isitz ig e n Produktionsspo rtwage n mit
offenem ode r geschlossenem Cockpit werden von der FIA zwei Überollstrukturen verlangt,
Rild C-18. Die vorderen u nd hinteren Teile der Hauptstruktur müssen eine besti mmte hori-
zontale Entfernung aufweisen und symmetrisch zu r Fahrzeuglängsebene verlaufen , Der
Hel m des Fahre rs in Fahrstellung muss einen Sicherheitsabstand zu ei ner gedachten Ver-
bind ung über die beiden Überrollele me nte a ufwei se n, Zusätzlich muss sich hinter de m Fah-
rer eine zwe ite Überrollstruktur befinden , die bei Versage n der Hauptstr uktur de n Fahrer
schützt, Sie muss von vorne gesehen de n Helm überragen und über einen Mindcstdurchm es-
scr von 280 mm verfügen,
Die hint e re Über rollvo rrichtu ng kann auch zu m Be rge n de s Fahrzeugs n ach einem Unfal l
herangezogen werden. Dafür muss der Hersteller allerdings de r Rennleitung seine schrift-
liche Einwilligu ng geben,
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3 Schutzeinrichtung c
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Bild C·1S
Überrollslru kturen bei Produkt ionssportw agen, n ach FIA An -
hang J Art. 258A
Die Überrolls tru kt uren für offene u nd geschlossene Fah rzeuge
sind zum SChutz des Fahrers vo rgesch rieben. Vordere und
hintere Struktur werden mit einer gedachten Linie verbunden.
Der Fahrerhelm muss ei nen Sicherheitsabstand von diese r Li-
nie aufwe isen.
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Bild C·19
Überrollbü gel an ei nem Monooo-
SIO (Formel 3).
Der Büg el ist hinter dem Fahrer
ang eb rac ht. Der Motor erhält
seine Luft über eine Airbox. die
se itlich am M otor angebracht ist.
Dahe r umfasst dieser B üge l nic ht
die Luftansaugung des Motors.
Eine Lösung . die sonst a n vielen
Einsitzern angewan dt wird.
Bild C-20
Vorde re Über rollstr uktur an einem
Mono poste (Dallara Fo r m el 3).
Oberhalb des Lenkwellenlagers
be findet sich eine kleine aa sen-
förmige Erhebung. Diese nimmt
beim Überrollen de s Fahr zeug s
die vorde re Konta ktkraft mit der
Fahrbahn a uf. Die g edac ht e Linie
zw ischen de r Nase und dem hin -
teren Überrollbüge l verläuft über
dem Helm des Fahrers (vgl. Bild
C-l).
c Sich erheit
Bild C -21
Schalter für elektrisch ausge-
lö stes Feuerlöschsystem .
Der Schalter b efindet sich in
einem Produktionssportw agen
an der seit lichen Oockpttwand.
Feuerlöscher fi re extlnguisher. Bei Rall yefahrzeuge mü ssen sowohl ei ne eingebaute Lösch-
anlage als auch ein Handfeuerlöscher mitgeführt werden . Für Rundstrecken rennen. Slaloms
und Bergrennen genügt eines von beidem.
Die Anzahl und Größe der Feuerlöscher hängt von den einzelnen Reglements und vom
Löschmittel ab. Als Füllung kommen nur bestimmte Löschmirtel in Frage. nämlich AFFF.
FX G·TEC. Viro 3 und Pulver.
In der Formel I werden nach FIA Bestimmungen zwei Löscher mit 2.5 und 5 kg Füllung
mitgefüh rt (C04]. In den meisten Fällen wird jedoch ein 2.25 I Löscher den Bestimmungen
ge nügen [eU5].
Alle Löschsysteme müssen sowohl vom Fahrerplatz als auch von außen betätigbar sei n.
Die Betätigung von auß en muss in der Nähe des Hauptschalters sein. Zur Kennzeichnu ng
der Auslöseschalter siehe Kapitel C 2. Bei zweisitzigen Fahrzeugen müssen auch Beifahrer
leicht den Feue rlöscher erre ichen können.
Elektrisch betätigte Löscher mit einer eigenen Batterie und einer separaten Verkabelung
werden bevorzugt. Es gibt dan eben auch über Seilzug ausgelöste Systeme.
Die Löscheinrichtungen müssen Feuer im Motorraum und Fahrgastraum bekämpfen
können bzw, es können auch zwe i getrennte Löschsysteme installiert werden.
Der Feuerlöscher selbst muss so im Fahrzeug befestigt sein. dass er den Beschleuni -
gungskräften eines Rennlaufes sta ndhält. Konkret verlangt die FIA, dass die Behälterbe-
festigungen eine r Verzögerung von 25 g standhalten müssen. Weiters müssen die Befes-
tigungen aus Metall sein und mit einem Schnellcntriegel ungssystem versehen sein . Zwei
Metallbände r sind so die Mindestanford erung.
Feuerlösc her müsse n im Cockpit untergebracht werden. Bei Einsitzern sind sie meist
unte rhalb der Fahrerkn ie ode r im Wagenbug angeordnet. bei zwe isitzigen Sportprototypen
am Platz des " Beifahrers" ,
3 Schutzei nric htung c
Bild C-22
Feuerlöscher im Coc kpit eines
Pen rrtabrzeu qs .
Dieser Feuerlöscher ist links ne-
ben dem Fahrersitz platziert, was
bei einem zweis itzigen Sport pr o -
totyp mög lich ist. Der Behälter ist
mit zwei Metallbänd ern befest igt.
Rett u ng sl uftbeh älter life bonle. In vielen Renn fah rzeugen ist ein Rettu ngs system einge-
baut, das s den Fah rer im Notfall über ein e feuerfeste Schlauchleitu ng z um Helm mit Atem-
luft versorgt. Der Luftbehälte r kann de n Fahrer ca. 30 s mit Luft versorgen.
Dieser Behä lter wird bei Einsitze rn meist unterhalb der Fahrerknie oder im Wage nbug
angeordnet.
Siche r he its gurte sofery be lts. Sicherheitsg urte werden von den einzel nen Reglem ents vor-
geschrieben. Durch die extr emen Fahrzus tände sind sie aber auch bei .J cor malfahrt'' erfor-
derlich. Genaueres zu Ausfü hrun g und Befestigu ng siehe Kapitel D 8 Rückhaltesysteme.
Lenk radsch nel lverschlu ss sterring wheel quick release , Ein leicht entfernbares Lenk-
rad erlaubt dem Fahrer eines Einsitzers das eng geschnittene Cockpit schnell zu verlassen.
Abcr auch bei Sportprototypen und anderen Fahrzeugen mit breiten Fahrgasträumen sind
Schnellv erschlü s se Pflicht. Der Schnellverschlu ss ist in der Lenkradnabe integrie rt. Diese
ist in Kapitel J 3 Lenk welle beschri eben.
Seitennetz (Fensternetz) window net, Seitennetze werden bei Tourenwagen im Bereich
neben de m Fahrer zur Wagenaußenseite hin im Kopf-Schulterber eich eingesetzt , Bild C-B.
Sie können so an der Fahrertür oder direkt am Überrollkäfig montiert werden. Die Tür-
montage hat zwar den Vorteil, dass der Fahrer leicht ein- und aussteigen kann. aber sobald
die Tür offen steht, ist der Schutz nicht mchr gegeben [COI]. Es gibt auch Seitennetzhel-
tcrungcn. die mit einem Schnellverschlusssystem ausgerüstet sind und so ein Lösen auf
Knopfdr uck e rm öglic hen.
Das Netz weist Abmessungen Breite x Höhe von 400 x 405 mm (4-t ürigcs Cockpit) oder
525 x 467 mm (2-türiges Fahrzeug) auf.
Rück licht red lighr. Ein rotes 15 W Rücklicht im Heckbereich des Fahr ze uges wird bei
Schlechtwetter und in der Boxengasse vom Fahrer eingeschaltet. Bild C-24.
183
c Sich erheit
Bild C-23
Seitenne tz bei einem Tourenwa-
qen,
Bild C-2 4
Rücklicht an einem Monoposto
(Ferra ri F1).
Das Rü ckl icht ist in d er Symme-
trieebene des Fahrzeugs ober-
halb d es Diffusoraust rills ange-
bracht
Ha lt eseile tether ropes . Die Q uerle nker der Rada ufhängung weisen an de n Anlc nkpunktc n
zu m Fahrzeug Sollbruchst ellen auf. Bei einer Kollision eines Rades mit eine m Hinder nis
deformieren sich die Le nker u nd brec he n weg . Damit die fre igcwo rdcncn Le n ke rend en nicht
die Cockpitwand durc hbrec hen und die Fahrerbeine ve rletzen könne n. sind diese hi nter de r
Sollbruchstc1 1emit eine r Längsstrebe verbunden.
A n Form el- I u nd Formcl-3-Fahrzcugcn werde n die Radträger zusätzl ich m it Se ilen am
Rah men befestigt, damit diese bei ei nem Unfa ll den Fahrer nieht treffen kön nen. Bild C-25.
Das Be ispiel zeigt e ine Vorderachs e. Jede r Radträger wir d mit zwei Ha lteseilen gesic hert.
Die Befest igu ng erfolgt übe r die Schraubbu tze n filr dic Bremszange (3) und üb er eige ne Ha l-
te bügc1 ( I) chassisscitig. Die Se ile werden dabei über Kre uz geführt. d. h . die Seile de s linken
Rad trägcrs werde n a n de r rech ten Bugse ite vers chraubt. Die Seile werden de n Q uerle nk e rn
entlang geführt und unt er Abdeckungen (2) gehalten.
Die Seile in der For mel I müssen min. S mm Du rch messer aufweisen und eine Mindest-
zugkraft von 50 kN er tragen .
3 Schut zeinrichtung
Bild C-25 Halteseile für eine Vordera chse (Dallara F306).
Das Bild zeigt eine Gesamtansicht und eine Detajverq rößerunq. Es sind aus Gründen de r Überacht nicht
alle Seile dargestell t.
Schrau be nsicheru ng screw loc k . Bei vielen Rennk lassen müssen Fahrwerksvers chra u-
bunge n formschlüssig gesiche rt sein, z. 8. durch Kronenmutter mit Splint (castellat ed nu t
and cotter pin) oder Drahtsicherung (safety wire).
Bei der Drahtsicheru ng werden Schraubenköpfe, d ie eine Querbo hru ng aufweisen müs-
sen, miteinander oder mit einem anderen Bauteil so verbunden, dass sich die Schrauben
nicht aufd rehen können, Bild C-26.
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1, 1h/2
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b) /~ 2--.-/
Bild C·26
Drahtsicherung von Sch rauben.
a Der Draht verbindet die beid en Sc hraubenköpfe
so. dass ein Lo sd rehen der Schra uben (mit
Recht sg ewind e) verhindert w ird.
b Sechskentsch raube mit Bohrungen für Siche -
rungsdra ht (1) und Splint (2)
185
c Sicherh eit
Üblicher Dra ht für diesen Einsatz besteht aus Edelstah l mit e ine r Stärke von 0,8 mm . Es
werden aber auch 0,5 und I mrn he rangezoge n. Die Bohru ng im Schraubenkopf hat ei nen
Durchmesser h um 2 mm (bis M6-0cwindc ist h 1,2 mm, ab Mg ist h 1,8 mm) .
Selbstsiche r nde Mutt ern mit einem Kunststoffeinsatz t elas tic stop nu t witlr ny lo n ca!-
tar) sind nicht temperaturb eständig und können daher nicht in der Umgebung heißer Teile
(Bremse, Abgas a nlage. Motor, Wä rme lauscher, ...) verbaut werden. Die ma ximale Einsatz-
temperatur liegt bei 120 "C .
Sicherheitsklappen bei NASCA R- Fa hrJ:euge n rnoffiaps. Eine wohl einz igar tige Siche r-
hcitscinrichtung findet sich an den nordam er ika nischen Fahrze ugen des Stock Car Winston
Cups . Die scricnnahe Außenform der Fahrzeuge und die hohen Geschwindigkeiten führten
in dieser Renn serie oftmals zu einem gefährlichen Phänomen. Wen n die Fahrzeuge einen
Dreher hatt en und dab ei rückwärts oder annähernd rückwärts weiterrollten, entstand durch
die nun "ve rkehrte" A nströmung ein Auftrieb. der ab 260 km/h so stark sein konnte. dass
der Wage n t rotz seiner 1590 kg Masse von der Fahrbahn abhob. Die Abhilfemaßnah men
bestehen a us 12,5 mm hohen seitlichen Blechstreifen. die an beide n Seile n des Dach lau fes
angebrac ht sind und erste ns eine gewisse Stabilisierung bei Gerad ea usfahrt bringen und vor
allem zweitens bei großer Schrägenströmung die Strömung ablösen lassen. Zusätzlich sind
im Dachbereich zwe i510 x 205 mm große Klappen so angeordnet, dass sie bei Anströmung
von hinten oder schräg rechts (die Fahrzeuge fahren im Oval immer links herum) durch den
Staud ruck öffnen und als Luftbremse wirken. Eine Klappe ist dazu gertau rechtwinklig z ur
Fahrtrichtu ng, die and e re re cht wink lig z u 140" Fahrz e ug-Gier wink el angebra cht.
Abretüventüe bre akuway vcdves . Abreißve ntile be i Leitun ge n zu m und vom Ta nk verhin-
dern ein Auslaufe n von Kraftstoff, wen n diese Leitungen brechen .
Bild C- 27 Sich erheitsk lappen an NASCAR-Wagen .
1 Dachleisten
2 Klappe entgegen Fahrtrichtung
3 Klappe 1400 gegen Fahrtr icht ung
Die Klapp en sind im geöffneten Zustand da rgestellt. Bei Norrnattahrt sind sie gesch lossen und überra-
gen die Dachkontur kaum.
4 Prüfunge n
4 Prüfungen Tests
Die einzelnen Mot orsportbehörden schrei-
ben unterschiedliche Prüfungen von Bau-
gruppen und Komponenten vor. Diese Tests
s ind für den Konst ruk teur insofern intere s-
sant. dass sie Größenwerte für Belastungen
und Verfor mungen liefern und d iese Kom-
ponenten nur bei bestandener Prüfung frei-
geg eben werden.
Überrollkäfige für Tourenwagen und
ähnliche Fahrzeuge müssen für ihre Frei-
gabe einen statischen Belastu ngstest ertragen [C03]. der aus zwei Teilprüfungen besteht.
Der grundsätzliche Aufbau ist in Bild CM 28 dargestellt. Ocr Hauptbügel wird mit einer
vertikalen Kraft Fz und der vordere Bügel mit ein er sch räg wirkenden Kraft F belastet. die
einem Mehrfachen des Eigengew ichts inkl. zweier Personen zu 75 kg ent sprechen :
c
Fz = 7.5 ·(my +150)·g
F=3,5 '(my +150)'g
Fz. F
I11 V
g
Prüfkräfte It. Bild C-2X[NI
Eigenge w icht de s Fahrzeu gs l ksl
Erdbeschleunigung. g = 9.81 m/s2
Dabei darf die gesa mte Überrollvorrichtung kein en Bruch oder eine bestimmt e plastische
Verform ung in Kraftriehtu ng aufweisen. Die Maximalwert e de r plastischen Verformung
sind für den Hauptbügel mit 50 mm und für de n vorde ren Bügel mit \00 mm festgelegt.
F,
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b)
Bil d C-28 FIA -Belaslu ngstest für Überrollkäfige.
a Test des Hauptbügels
b Test des vord eren Bügels. Eingetrage n sind d ie Winkel der Stemp elläng s- und - querac hse zur H ori -
zontalen
c Sich erheit
Nach FIA-S ta nd ards werden b eispielsweise folgende Prüfunge n an Fahrzeug ru mpf un d Fah r-
zcug bug durchgcfiihrt. Die hintere Übcrrollst ruk lurbci Sport prototypen und Monoposti wi rd
mit einer räumlichen Kraft mit einemflachenStempel von200 mrnDurchmesser statischbela-
stet. Diedrei Kraftkomponenten entsprechendabei Fx" 1,5G, Fy=5,5G und Fz = 7,5 G, wobei
G das Fahrzeuggewicht inkl. Fah rer mit 75 kg ist, Bild C-29. Dabei darfdie Deform ation in
Kraftrichlung 50 mrn nicht überschreiten undjegliches Versage n der tragenden Struktu rdarf
in vert ikaler Richt ung höchs tens Ionmrn vom Scheitel des Übe rrollbügel s gemessen bet ragen .
F,
0,
o~tJ•
Bild C·29
Überrollbügel -Prüfung ,
Der Bügel wird am Rahmen montiert in Verti-
k al - (2). Längs- (X) und Q uerrichtung {Y} mit dre i
Kräft en entsprechend 7,5 -, 5,5 - und t.s -recnem
Eigengew ich t des Fahrzeu gs inkl. Fahrer be lastet
Bild C-30
Prüf ung des C hass is.
Der Fahr zeugrumpf wird unterschececnen Test s
unterzogen m it Que rkräfte n zwischen 10 u nd
20 kN.
Bild C-31
Prüfung de r B ugnase.
Die Nase nbefest igung wird einer seitlichen Las t
von 20 kN aus gesetz t. Ein Frontalaufp rallv ersuch
mit Nase an Rumpf mon tiert wird mit 10 rrvs
d urchgefü hrt.
4 Prüfungen
c
Bild C- 32 Chass is eines Mono posto nach dem Crashversuc h (Ferrari F1 ).
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o
0,04
0,08
0 ,12
Zeit t lsl
Bild C-3S Auswertung eines Chrashvereuchs nach Anordnung wie in Bild C-31 [C02].
Oie Nase ist am Chassis montier t. Ein Schlagk örp er wirkt frontal auf die Bugspitze ein.
Mass e des Schlagkör p ers: 560 kg.
Aufsch laggeschwind igkeil: 10.56 rrvs.
mittl ere Besch leunigung:
10,7g,
max. Beschleunigung :
15,26 g ,
max. Verfo rmung:
448 mm
c Sich erheit
Das Lenkrad und seine Aufnahme werde n ebenfalls ei nem Test unterzogen. Nach FIA
Anhang J Art. 258A und 259 sieht solch ein Test grob wie folgt aus. Es wird eine x-kg -Hatb-
kugel mit 165 mrn Durchmesser auf die Lenkradmitte mit einer Ges chwindigkeit von 7 m /s
in Achsrichtung der Lenkwelle geschlagen. Ocr Höchstwer t der Beschle unigu ng d arf 80 g
nur filr eine Zeitspanne von 3 ms überschr eiten. Ocr Sch nellversc hluss des Lenkrads muss
auch nach dem Test einwandfrei funktioniere n.
0,020
0,015
0,0 10
Zeit t lsl
0,005
I
LL
-
----- -
I
----- --
--- -----
-
----- -
---
-- --
-
-
- ----- -
A
'\ri~ ~
------
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-
-
-,
o
·20
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20
160
o
-
'00
o
c
;, BO
•c,
•
60
~
•o
•
40
~
120
140
Bild C·34 Aufp r allver su ch an eine m Len krad ein es Rennfahrzeugs (Formel Renault 2000) [C02J.
Das Schlaggewicht m it 8 kg wird mit 7 m/s a uf da s Len krad bewegt. Die Beschleunigung dar f dabei
80 9 fü r höchstens 3 ms übersch reiten. Im dar gestel lten Versuch beträg t diese Zeits panne 1.12 ms. Die
Len kwelle weist zwei Beugege lenke in Z-Ano rdn ung au f (".gl. Bild J-24). Dies ermöglicht d as axia le Aus-
we ich e n des Len krades.
Cockpit
Cockpit
Das Cockpit ist der Arbeitsplatz des Fahrers. In dem Bereich kommt neben der Technik ein
mensc hlich er Einfluss ins Spiel. Ergonom ie ist entscheidend. dass der Fah rer die möglichen
Fahrleistu ngen ein es Fahrzeugs auch tatsäc hlich umzusetzen vermag.
D
D Cockpit
1 Konzept Layout
Der Fahrer eines mehrspurigen Fahrzeugs hat während der Fah rt prin zipiell nur wenige
Stellglieder um auf das Verhalten seines Fahrzeugs Einfluss zu nehmen:
das Lenkrad,
die Fußbremse,
das Fah rp edal.
di e Schaltung,
die Kupplu ng,
die Feststellbremse.
Wobei Kupplu ng und Feststellbremse nicht bei alle n Fahrzeugty pen anzutreffen sind. Dage-
gen gibt es bei manchen Wagen weitere Einfluss möglichkeiten, z. B.:
verstellbare Bremsk raftaufteilu ng Vorde rachse/Hinterachse ,
ve rstel lba re r Sta bilisator,
ve rstel lba res Spe rrdiffe ren zial.
verstellbare Ken nung zwischen Fahrpeda l und Moto ra ntwort, also Dreh mom ent.
Rückmeldungen, wie es um den Fahrzustand bestellt ist, erhält der Fahrer hauptsächlich
direkt über seine Sinnesorgane und in wenigen Fällen über ein A nze igei nstru ment. wie etwa
Dreh zah lmesser oder Gesc hw indigkeits messe r. Beschleunig ungen und Kräfte des Fah r-
zeugs spürt der Fah rer über den Sitz, d ie Kräfteverhältnisse an den Vorderrädern nimmt er
am Lenkmo me nt wah r. Im Cockpit finden sich also die wichtigsten Schnittstellen zw ischen
Fahrer und Fahrzeug, die es dem Fahrer ermöglichen den Rennwagen im physikalischen
Grenzbe reich zu bewege n. Außerdem stellt das Cockpit die klimatischen Bedi ng ungen her,
die dem Fahrer längeres konzentriertes Fahren erleichtern sollen.
Prinzipielle Überleg ungen zu m Gesta lten eines Cockpits betreffe n folgende Punkte:
Reglementvorgabe n.
offenes oder geschlosse nes Coc kpit,
Fahre rgrö ße (n).
Ergonomie; Sicht, Betätigungskräfte, Klimatisierung, Ermüdung. Ein- und Ausstieg.
Offenes Cock pit open cockpit. Ein offenes Cock pit erleichtert den Zuga ng zum Fahrerplatz.
was für zeitlich relevante Fahrerwec hsel beispielsweise ei nes Langstreckenre nnens von Vor-
teil ist, wo etwa alle zwe i Stunden die Fah re r eina nder ablösen . Die geford erten Cockpit-
weiten sind in manchen Reglements unterschied lich. Einer der Gründe fü r die Wahl Audis
für einen offenen Sportprototypen bei der Konzeptionierung des R8 war der Vorteil des
schmäleren Cockpits gege nüber der geschlossenen Variante (1100 mm statt c un m m vorge-
schrieben) . Bei festgelegter Fah rzeugbreite bleibt so mehr Platz für die seitlichen Wärmetau-
scher und breitere Reifen können zu m Einsatz kom men. Damit werde n weichere Reifen oder
g röße re Wechselin terv alle mög lich.
Außerde m entfa llt die Blendwi rkung eine r verschmutzen Scheibe bei Nacht. Auch die
Klimatisieru ng des offenen Cockpits fallt wesentlich leichter. was bei hohen Außentempe-
raturen. aber auch bei feuchten. kühlen Beding unge n (Anlaufen der Scheibe innen ) vorteil-
haft ist. Vor all em bei großer Hitze mit gleichzeitig hoher Feuchtigkeit leidet die Leistungs-
1 Konzept
Bild 0-1 Fahrzeug mit offenem Cockpit (Lola).
Das Fahrzeug ist z wei sitzig. zumi nde st für da s Regleme nt. Tatsä chlich sitzt eine Person im offenen Co ck-
p it.
fähigke if de r Fah rer in eine m gesc hlossenem Wagen spü rbar. Die zuve rlässige Funktion der
Scheibenw ischer wi rd bei den hohen Gesc hwindigkeite n ebenfa lls zu einem Problem. Der
Luftw iders ta nd ist bei ein em offenen Cockp it kein Abgrenz ungskriteri um zu r geschlos-
senen Variante. Das. was der Hauptverursacher von Luftwiderst and ist, ist bei beiden Fahr-
zeugty pen annähernd gleich, nämlich der Abtr ieb. So haben in den letzten 10 Jahren beim
24-5t unden- Rennen von Le Mans lediglich zweimal Fah rzeuge mit gesc hlossenem Cockpit
gewonnen. obwohl das Reglement diesen Fahrze ugen meh r Motorleist ung zugeste ht.
Ge sch losse nes Co ck pit closed cockpit. Ein gesc hlossenes Cock pit erleichtert d ie Darstel-
lung eines biegeste ifen Fahrzeuga ufba us durch Einbez iehen des Daches in d ie tragende
Struktur . Dafür müssen Türen vorgesehen werden. was den konstruktiven Aufwand im
Vergleich zu ei nem offene n Cockpit in die Höhe treibt. Die Aerody na mik ei ner geschlos-
senen Kontur ist prin zipiell günstiger und die Anströmbedingungen für den Heckflügel
sind z umi ndest theoret isch besse r als bei ei nem offe nen Wagen mit Übe rrollbügel. Pra k-
tisch sind die Verhältnisse komplizierter. weil der Heckflügel z. B. bei Lc Mans Fahrzeugen
nicht höher als das Dach sein darf. Bei offenen Fahrze ugen ist eine bestimmte Höhe vom
Boden weg reglementiert, wodurch die Flügel ausgeführter Wagen höher montiert sind und
dadurch wiede rum g ünstige Strö m ungsverhä ltnisse vorfinden.
D
D Cockpit
Bild 0 -2
Geschlossenes Cockpit
(Pro Sport 3000),
Die Tür reicht bis über den Kop f
des Fahrers und den seitlichen
Schwell er. Das Dach wird da-
du rch auf einen sch ma len Ve r-
b ind un g sst eg zwischen vorde-
ren und hinteren Uberrollbügel
reduziert.
Bild 0 -3
Geschlossenes Cockpit
(Ben t -Iey EXP Speed 5).
Blick dur ch d ie linke Türöffnung.
Die Tür i st weit außen angesc hla -
gen und dec kt die seitliche Luft-
zuf uhr zu de n wermetauscrern.
die um das Cockpit führt, mit ab
(im Vordergrund zu er kennen). Es
entsteht ein breites Dach , das d ie
Fahrzeu gs leifigkeit positiv bee in-
flusst. Als Nach teil steh t d em ein
beschränkter Zugang zum Coc k-
pit entg egen.
Ergo no mie ergonotnies. Erst ei n ergo nomisch ges taltetes Cockpit e rmö glicht d as volle
Ausschöpfen de s Potentia ls eines Fahrzeug s über lä ngere Zei t h inweg. Großer Kra ftau f-
wand be im Betä tigen von Stellglie dern. st arke Schw ingu nge n, erheb licher Lärmpegel.
hohe Tempera t uren und Luftfeucht igkeit lassen eine n Menschen rasche r ermüden und die
Kon ze ntr ation läs st ebenfalls schnelle r nac h. Elastis che Entkoppl ungse lemc nte sind bei
Serienfahrze ugen zur Komfortsteigerung Standard. Sie finden sich unter anderem beim
Fahrw e rk und be i de r Motor- und Ant riebstra nglager ung. Bei Rennfah rzeugen finden sich
kaum sc hw ingungsdä mpfende Element e, weil diese z u Energieverl us ten und zu l ndirckth cit
führen. So bleibt prak tisch nur noch der Sitz um ei ne stark e Schwingbca nspru chung vom
Fahrer fe rn zu halt e n.
Einige Reglements verlange n es ohnehin, es soll aber trotzdem erwä hnt sein , dass für
eine gezielte Frischluftzufuh r und auch für ei ne Luftabfu hr im Cockpit gesorgt sei n sollte.
2 Fahrerposition
2 Fahrerposition Driver's po sture
Ziel ist es, de m Fahre r die Kontrolle über das Fahrzeug zu erleichtern und dennoch de n
Schwerpunkt möglichst tiefzu halten. Die Masse des Fahrers macht bei leichten Fahrzeugen
einen nicht unbeträc htl ichen Teil der Gesamt masse a us. Form el Renau lt 2000 Fahrzeuge
weisen beispielsweise eine Gesa mtmasse von 485 kg auf [013]. Ein 80 kg schwerer Fahrer
ents pricht somit immerhi n ei nem Sechstel.
Coc kpits von Rennfa hrzeuge n höchster Katego rien werde n meist für ei nen bestimmten
Fahrer geba ut. Seine Abmessungen und Vorliebe n (Körperhaltung , Lenkraddurchmesser.
Betätigu ngskräfte. Schalterpositionen ...) könne n in dem Fall direkt erfasst werde n. Bei
Rennfahrzeugen. die in Kleinserie hergestellt werden, ist das nicht mehr möglich . Auch bei
Fah rzeu ge n für Langst rec ke nre nnen muss da s Cockpit fü r mehrere Fahre r gee ignet se in,
die es sich im "fliegenden" Wechsel teilen . Hier bietet sich die Erfahrung aus dem Groß-
serien-Pkw-Bau an. Statistische Untersuchungen liefern Abmess ungen von Menschen in so
genann te Perzenfile einge teilt, siehe Bild D-4 . Zieht man beispielsweise die Abmessungen
derSpalte für den95 %-Mann bei der Gestaltung eines Cockpits hera n. so passen 95% der
männlichen Bevölkeru ng hinein und nur 5 % der mä nnliche n Bevölker ung sind zu groß.
Für das Packaging und hier beso nders die Beeinfluss ung der Lage des Gesa mtschwerpunkts
sind nebe n den Abmess ungen des menschlichen Körpers auch die Massen von einzelnen
Körpertei len interess ant, Tab elle 0-1.
Tab . D -1 M assen von Teil en de s menschlichen Körpe rs [D03].
Körperteil
Mas se [kg]
Toleranz
Kopf
5.08
±0.O5
Schulter - B rustkorb
18.82
±0.73
Unterle ib -Becken - obere r Teil der Schen kel
16,28
±0,68
Bein - Ob erschen kel (jed er}
8,35
±O,32
Bein - Schienbein (jedes)
3.13
±0,14
Fuß (jeder)
1.27
±0.O5
Arm (jeder)
2,18
±0,O9
Unterarm (jeder)
1,54
±0,O5
Hand (jede)
0,64
±0,O5
Gesamtmasse
74,4
± 1,4
Mit der Fahrerposition lässt sich die Lage des Fahrzeugschwerpunktes in horizontaler und
ve rtikaler Lage beeinfl ussen. Die g ünst igste Anordnu ng a us tec hni scher Sicht ist dabe i ei ne
liege nde Sitzhaltu ng (Wiegenhaltung) des Fahrers. Diese wird allerdings nicht von allen
Fahre rn gleichermaße n a ngeno m me n. Beim Sportprototypen f ür Le Ma ns Audi R8 w urde
von den Fahr ern eine Oberkörperne ig ung bis 45" gebilligt [D IO ]. Eine ä hnliche Sitz haltung
findet s ich auch bei Formelwage n mit einer hoc hgezogene n Nase, Bild 0-6 .
D
195
Bi ld 0 -4 Körp er m aße. Statistik nach DIN 33 402 [D12).
D Cockpit
2,
.-.
,
.+--
-
-
,
3
4
5
•
6
I7
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I,-,-,- ,-,-, -
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19
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111
12
I
"I
I 1._
16-
"I
.-~17_
.
-
-
-
18
.!
Perze ntue (Maße inmm)
mannlieh
we iblich
5% 50% 95% 5% 50% 95%
1 Reichweite nach vorn
662 722 787 616
690 762
2 KÖfperlie fe
233 276 318 238
285 357
3 Reichweite nach oben (bei darm ig)
1910 2051 2210 1748
187 2000
4 KÖfperhöhe
1629 1733 1841
151
1619 1725
5 Augenhö he
1509 1613 1721 1402
1502 1596
6 Sch ulterhöhe
1349 1445 1542 1234 1339 1436
7 El lenbogenhöhe übet der Standflache
1021 1096 1179 957 1030 1100
8 Höhe def Hand über derStand fläche
728 767 828 664
738 803
9 Hüftbreite stehend
310 344 368 314
358 405
10 Schul terbreite
367 398 428 323
355 388
11 Kö perskznöhe (Stammlä nge)
849 907 962 805
857 914
12 Augenhö he im Sitzen
739 790 844 680
735 785
13 Ellenb ogenhöhe über der Sitz/lache
193 230 280
191
233 278
14 lange desUnterschenkels mitFuß {SitZflachenhöhej
399 442 480 351
395 434
15 Elienbogen -Gr illachsen ·Abst and
327 362 389 292
322 364
16 Sitztiefe
452 500 552 426
484 532
17 Ge säß-Knie- länge
554 899 645 530
587 631
18 Gesäß-Bein-länge
964 1035 1125 955 1044 1126
19 Obe rschen kelhöhe
117 136 157
118
144 173
20 Breite über dem Ellenbogen
399 451 512 370
456 544
21 HüUbreilesitze nd
325 362 391 340 387 451
c
d
•
•
L_b _'
2 Fahrerpo sition
BitdD-5
Fahrerposit ion , nach [D0 4J.
Die Maße gelten für einen Fahrer mit
1727 mm Körpergröße.
D Schwe rpunkt des Fahrers
H HUflgelenkspunkl
Von herausragende r Bedeut ung
sind:
-
Maß h: darf nicht höher als x sein,
sonst ist die Sicht über das Lenk-
fad beh inde rt.
-
Position des Schalthebelkna ufs
in jedem Gang und die Ellbogen-
freiheit nach hinten .
-
Maß k und der Beweg ungs radius
der Pedale
D
Empfehl ungen für d ie angeführten Maße [mm]:
a Rücke nf reigang:
76
h Oberkante Lenkrad:
b Höt tp unkt:
533
j Obe rkante Schuhsohle:
c Lenkradrotte .
750
k eeoemäcr eomme:
dSchaltkna uf:
787,5
x Mundhöhe:
e Kn iesche ib e:
876
y Augenhöhe:
f Fersen kontak t:
125 7
z Helmoberkante:
g Schuhsoh le:
1372
533
279.5
203
559
635
762
Hild 1>-5 gibt Anhaltswe rte fUTeine Sitzposition. wie sie etwa in einem Tourenwagen gep-
lant werden kann .
Manche Fahrer wünschen bei Bergrennwagen eine ziemlich aufrechte Sitzposition für
eine bess ere Übersicht in Haar nadelkeh ren [D09].
Seit die Aerody namik ei ne do minierende Rolle im Ren nfahrzeugbau erlangt hat (Mitte
der 19S0cr Jahre), hat dieselb e Philosophie wie bei Serienfahrz euge n in der Konst ruktion
Einzug gehalten: Die Gestaltung von außen nach innen, d . h . die äußere Form wird zuerst
nach aerodyna mischen Gesichtspunkten sowie Wind kanalvoru ntersuchunge n festgelegt und
sämtliche Teile müssen da nach in nerhalb die ser möglichst geschickt untergebracht werden.
•
Bild 0 -6 Längsschnit t d urch ein Forrnel- t-Fahraeuq [0 01].
Der Fahrer ist möglichst tief angeordnet. Seine Füße bef inde n sich h inter de r Vorde rachse und erheb lich
oberha lb des Gesäßes. Das L enk ra d befindet sich nah am Oberkörper des Fahre rs . Große L e nk rad d re-
hu n g en sind nur eingesch rän kt möglic h.
D Cockpit
Bil d 0 -7 Ansich t eines Fahrerplatzes von oben (Formel 1 Ferrarü.
Dabei da rf allerdings ei n gewisses Ma ß an Ergonom ie bei der Fahre rpla tzgestaltu ng nicht
fehlen. Viele fahrdyna mische Vorzüge eines Fah rzeuges können nicht ausgespielt werde n.
wenn der Fah rer nicht über eine volle Renndistanz krampffrei sitzen kann [DOll.
Ocr Fußrau m soll bei drei Pedalen als Unte rgrenze etwa 305 mm lichte Weite aufweise n
[Dl51·
Die Entw icklu ng beginnt mit dem Bau einer Sitzattrappe. in die der Fahrer sich hinein -
setzt um d ie Platzver häl tnisse zu prüfe n. Dabei w ird vielfac h festgeste llt, dass d ie Fahre r
zu nächst mit ihrer Sitzposit ion zuf rieden sind und erst beim Fahren im echten Fa hrze ug
Probleme auftreten [001].
Bei der Gestaltu ng des Cockpits von Einsitze rn ist zu bede nken, dass de r Fahrer bei den
meisten Formeln das Fahrzeug aus der Fahrposition (angegurtet, Hände am Lenkrad) ohne
Hil fe innerhalb von 5 s verlassen kön nen muss (5-Se ku nde n-Regel) . Be i Spor tprototypen
ist das zwa r nicht vorgeschrieben, bei Langstrecken rennen kommt es jedoch auf kurze Still-
standszcitcn in der Box an und dam it a uch auf rasche Fahre rwec hsel. Die ,,24 St unden von
Le Ma ns" werden sozusagen zu meist an de r Box verloren - oder dad urc h gewonnen , dor t
die geringste Zeit zu verschenken [0 07].
Bedingt durch die hohen Q uerkräfte ist ein eingeengter Beinra um für den Fah rer sogar
vortei lhaft. Be sonde rs im Bere ich der O berschenkel und Knie ist ein a usreichende r Seite n-
halt erforderlich. Bild D-8 .
3 Sitz
Bil d 0-8 Coc kpit in einem La Ma n s Aennfah rzeug (Audi A8S).
Das offene Coc kpit ist durch eine Mittelstrebe unterteilt. sodass de r Fahrer wie in einem Monop oste den
nötigen seit lichen Halt fi ndet. Auch das zur Fah rze ugmitte h inweise nde rechte Be in w ird abge stützt. D ie
Obe rschen kelauf lage ist so a usgep räg t, dass ein Gro ßteil der ouer- aber auch de r Längs kräfte von ih r
au fg enommen we rden kann.
D
Bild 0-9
Oberer Cockp ita bschluss ei nes Forme l -l -Wage ns
(Williams FW 18, 1997).
De r Lutternlass für den Motor sitzt oberhalb d es
Fah rerhelms. D ie Kont ur d arun te r schmieg t sich an
den Helm an. Der Cockpitrand steigt nach hinten
an und fo lgt so dem Ve rlauf des Vis ierausschnitts.
3 Sitz Seat
Eine steife Befestigu ng de s Sitzes zum Rahmen ist wichtig. damit der Fah rer vor allem
beim Bremsen gefü hl voll dosieren ka nn und die maxima le Betätigu ngskraft erzeuge n kann
[014]. Aufgr und der extr eme n Beschleunig ungen in eine m Rennfahrzeu g braucht de r Fah-
rer einen indi viduell angepasste n Sitz. damit er da s Fahrzeug trotzdem entsprechend kon-
t rollieren kann.
D Cockpi t
Bild 0 ·10
Typ ische Sitz m aße [mm].
W- 550bis600
B- 450bis550
L- 610bis700
H- 550bis890
I- 350bis400
I
w
B
'n [\\
r
L
L_----"--__ J
Typisch e Sitzmaße zeigt Bild 0-10. Die Masse eines solchen Sitzes liegt im Bereich um 9 kg.
Ocr Sitz wird üblicherweise über zwei Schienen um Rahm en oder an der Bodengruppe der
Karo sser ie versc h ra ubt.
Von de r FIA wird für Tourcn-, OT- und Produktionswagen ein Mimleststandard für die
Befestigung eines Sitzes vorgeschrieben, Bild D-13. Ocr Sitz muss an mindestens vier Stel-
len - zwei vorne und zwei hinten - mit Schra uben MX ode r größer befestigt sein. Die Kon-
ta ktflache z wischen Haltcrung und Gegenplatte. d ie mindestens 60 rnm lang sein muss,
muss mindestens 40 crn- pro Befestigungspunkt betragen. Jeder Befestigungspu nkt muss
eine Kraft von 15OO{) N ertragen können, egal in welcher Richtu ng diese wirkt. Die Wand-
1Jl
Bild 0-11
Befest igungsschiene für Sitze .
Die Schiene weist a n einer Seile Langlöcher zum
Sitz h in a uf. Damit können Toleranzen a usgegli-
chen we rden. Ebenso sind d ie Sch raub löc her zum
Rahmen hin als Lang löcher a usgeführt. dami t die
Bre itentole ranz d er Sitze aufgenommen w ird .
Bild D-12
Befest igun g eines Sit zes.
Zwe i Sch ienen nehme n den Sitz auf. Die Schienen
se lbstsi nd am Rahme n bzw. am Bodenve rschrau bt.
Die Schie nen we isen an den Verschra ubun g sstel·
len meh rere Boh rungen auf und ermögl ichen so
eine gestufte Verstellung des Sitzes in der Höhe
und in Fahrtrich tung.
100 I
3 Sitz
Bild 0 -13 Sitzbefestig ung nach FIA Anh ang J Art. 252.
1 Sitz sess
2 Halter unq mounting
3 Gegenplatte counterplate
4 Karosserie/Rahmen cnassislframe
stärken der Halterungen und de r Gege nplanen sind werkstoffabhä ngig für Stahl mit 3 und
fü r Lei cht meta ll mit 5 mm festgelegt.
Es gibt auc h Sitzbcfcs rigungcn , d ie zwischen de r Schiene und de m Sitz el ast ische Ele-
me nte a ufweisen, da mit Stöße in abgesc hwächter Form a n den Sitz weite rgeleitet werde n.
Bei Raid-Fahrzeugen ka nn die Belastu ng bei der Landung nach Sprüngen so groß wer-
den. dass ges undh eitliche Schäden von Fahre r und Beifa hrer die Folge sind . Die Sitzvora n-
ker ung muss deshalb Sollbr uchste llen aufweisen. d ie bei Überbeanspruchu ng brechen und
so einen Teil der Energie aufnehmen.
Im wan nenart igen Cockpit ein es Monoposto wird selten ein in sich stabile r Sitz gebraucht .
Eher findet man eine Art Aus kleidung, die den Bereich zwischen Fahrer und Cockp itwand
a usgle icht. Diese Aus kleidu ng wird wie folgt hergeste llt. In ei ne Sitzschale (seal hucket),
die mit dem Fahrze ug verbu nden ist , setz t s ich der Fahrer au f ei nen 80- I-Kuns tstoffbeutel,
der mit PU-Scha um geftillt ist. Der ausgehärtete Sitz wird zurec htgesch nitten und auf de r
Rennst recke erprobt, z . B . ob Dr uckstellen vorliege n. Teams mit ger ingem Budget bek leben
diesen Sitz mit Klebeband und benutzen ihn im Rennen. Eine erheblich teurere Lösung ist
das Abforme n d ieses PU-Sc ha umsitzes m it Kohlefa serla minat. Ein solcher Sitz ist stei fer
und leichter als die PU-Variante, aber auch härter. Was bedeutet, dass bei einer Druckstel1e
e in völlig neue r Sitz he rgestellt werden muss. Die Ka rbonsitzschale hat eine Masse von
knapp eine m Kilogramm.
Jü ngste Vorschrifte n ve rla ngen bei Formel- I-Fa hrze uge n, dass der Fahrer mits a mt de m
Sitz a us dem Wagen gehoben werden ka nn, dam it bei Unfal1bergu nge n Wirbelve rletz ungen
des Fah rers vermieden werden können. Die Sitzschale weist dazu fünf Stel1 en auf, an dene n
Hebegurte befestigt werden können.
Manche Sitze beinhalte n ei ne n Kopfschutz. de r bei einem Unfall ei n Über dehnen der
Halswirbel nach hinte n verhi ndert. Endet die Rückenlehne unterhalb des HeImkont aktbe -
rcichs, der etwa auf Höhe der Ohren liegt, wird eine Fläche mit einer energi eabsorbierenden
Auflage be nötigt. Die Auflage sol1 aus eine m dichte n Schau m mater ial be stehe n, das be im
Komprimie ren keine elast ischen Kräfte freisetzt, sonde rn im Gege nteil sich quasi plastisch
deformiert und so ein Zurückpra l1en des Kopfes verhinde rt.
D
D Cockpit
Bild D-14
Kap/schu tz bei einem Produkti-
onssportwagen (Oseua PA 20 5 ),
Über dem eigentl ichen Sitz ist
ein Kap/schu tz rabrnensemq
angebracht. Auf der Abb ildu ng
lässt ecn auch gut die Sitzscha -
le erkennen . D iese i st geschäumt
und mit Klebeband abgedeck t.
4 Lenkrad Steering wheel
4.1 Lage des Lenkrades Position of steering wheel
Das Lenkrad ist eines der wichtigsten Stellgliede r im Fahr-
zeug und muss vom Fahrer gut bedient werden können. In
dem Zusammenhang ist vor allem die Lage des Lenkrade s
bezogen auf den Sitz von Bedeutung. Für Pkw führt Bild
0 -15 die wichtigsten genormten Maße an. Die Normalhal-
tung derHand istdabei so. dassdie Unterkante derHand auf
Mitte Lenkrad zu liegen kommt.
Sämtlich e Maß e beziehen sich auf den R-Punkt. Der R-Punkt (Sitz rcfcrc nz punkt. set/fing
ref erence point) ist fahrzeugfest und entspricht dem H-Pu nkt (Hüftgelenk spunkt) der Passa-
giere im hinte ren Drittel des Verstellbereichs des Sitzes.
Bild 0 -15
Lenkradlage Pkw. nach [003] u. OIN 70020,
R -Pu nkl: Sitz referenzpu nkt
AHP : Fersenpunkt (Acc elerator Heel Point )
L53 - 130 min
H30 · 130 bis 520
Lenkraddurchmesser 09 - 330 bis 600
Lenkradwinkel L25 - 10" bis 70"
L- 152bis660
H-530bis838
L40_9
0
bis 30"
Maße in mm
4 Lenkrad
Zur Lage des Lenkrades bei Renn fahrzeugen siehe Bild D-5. Das Lenkrad kann auch zur
Anpassung an unterschiedliche Fahrer axial verschieblieh au sgeführt sei n, der Sitz ist den
meisten Fällen ja nicht zu verstellen, siehe Kapitel J Lenkung.
Für Pkw und Rallyefahrze uge gilt: Das Lenkrad soll vom Fahrer an de r 12-Uhr-Position
mit einer Hand ohne Vorbeugen umfasst werden können.
4.2 Lenkr adabm essungen und Ausführungen
Steering wheel, dim ensions end typ es
Lenkräder weisen verschiedene Formen auf, die sich von de r ursprünglichen Kreisform
ableiten. So finden sich z. B. D - und U-förmige Lenkräder in den verschiedensten Cockpits.
Dcförmigc Lenkrä der stellen entweder Platz für die Fahre rbeine zur Verfügung (Flachstcllc
unten) oder geb en Siehtraum über das Lenkrad hinweg frei (Flachstelle oben). Ein ges chlos-
sener Lenkr adkr anz wird bei Fahrzeugen, die mit großen Lenke inschlägen gefahre n werden
(Rallye, Raid, ...), unumgänglich.
Lenkräder, bei de nen die Nabenbefestigung tiefer liegt als der Kranz (geto pfte Aus-
fü hru ng), haben siche rheitstech nisch Vorte ile. Bei einem Frontala ufprall kann der Kopf
bzw. Helm nicht aufder Nabe aufschlagen [006]. An manchen Lenkrädern findet sich eine
Markieru ng an der 12-Uh r-Position. Dies ist unter anderem bei Rallyefah rzeugen nützlich,
damit der Fahrer im Training dem Beifahrer, der den Streckenschrieb aufzeichnet, einen
Wert für den Lenkwinkel ansagen kann.
D
a r und e Form, flache Speichen
b getopfte Ausfüh rung
c unten abgef lacht
d beidseits ab geflac ht
Bil d 0 - 16 Lenkr adgrund gestalt.
Zur raschen O rientierung über di e Lenkradsteilung wei sen m anche Lenkräde r eine Mar kieru ng am Lenk-
rad kranz auf (Pfeil bei Variante a).
Folgende Abmessungen sind anzut reffen:
Formel Fahrzeuge: Durchmesser etwa von 250 mm bis 285 mm,
Tourenwagen . Rallye : Du rch messer etwa von 310 mm bis 350 mm,
Pkw: Durchmesser 330 bis 600 mm (siehe auch Bild D-15),
Kranzabmess ungen: Bei ru ndem Quersc hnitt bet rägt der Durch messer 28 bis 35 m m; ovale
Querschnitte passen in ein Rechteck von 35 x 27 mm .
Das Lenkrad wird direkt oder über ein Dcfo-Elcmcnt auf die Nabe mit drei (Formclfahr-
ze uge) oder sechs (Tourcnwagcn, Rallye, ...) Schm uben (meist M5 bei Lochkreisdurch mes-
ser um 70 mm) aufgeschraubt.
Die Nabe selbst ist über einen Schnellverschluss von der Lenkwelle zu lösen. Ge naueres
zur Verbindung des Lenkrads mitder Lenkwelle siehe Kapitel J 3.
D Cockpit
Bild 0 -17
Lenkrad mit Schnellve rschl uss
(Formel BMW).
Das Prinzip ist dasselbe wie es
z. B . bei Schnellkupplungen an
Dru ckluflleitungen zu f inden ist.
Die Betä tigung erfolgt übe r den
Kragen {2) der Scbiebernutte.
d ie die Sperrkugeln (1) entlastet.
Das Lenkmoment wird übe r ein
Zahnprofil (3) übertragen.
Bild 0 -18
gormat-t Lenkrad m it Schalt-
wippe. Ans icht von oben (BMW
wnuams. 2001),
Diese Ausführung ist etwas ä lter
und daher ist die Arbeitsweise
gut zu erkennen. Die Schalt-
wippe ist mit zwei Schrauben
(1) an der Lenkradnabe drehbar
befest igt. Sie betätigt die be iden
Schaltstifte (2).
Bild D·19
Lenkradschaltung (Formel 1,
Ferran).
In der Ansicht von unten sind
die Schalter für die Kupplung im
Vorderg rund z u sehen. Dah inter
liegt die W ippe für die Schaltung
(vgl . auch Bild 0-18).
4 Lenkrad
Bild 0 -20
lenkradsc haltung (Formel 1.
Ferrari).
In de r Ansicht von oben in das
Coc kpit ist der Lösering des
Sch nellverschlusses zu sehen.
Oberha lb der Lenkwe lle ist d ie
Scha ltw ippe ange bracht. Die
Scha lter für die Kupplung sind
unte r de r Lenkradmi tte ange-
ord net, aber noch gut zu sehen
(vgl. auch Bild 0-1g),
D
w erkstotre. Der Stern und die Speichen bestehen aus Aluminium oder CFK-Laminat. Der
Stah lrohrkra nz wird PU-geschäumt und mit Rauleder ummantelt.
In den im Laufe der Jahre immer enger gewordenen Cockpits von Formelfah rzeugen. war
eine Lösung die Verlegung von An zeigen weg vom Ar mature nbrett direkt in das Lenkr ad
hinei n, Bild D-21.
Bil d 0 -21 Formell Lenk rad [Ferrart 2003).
Vom Fahrerplatz aus kann nicht nur die Zündung abgeschal tet werden, sondern unter anderem auch die
Ditterenztalemsteücnq (Sperrwirkung), die Gemischzusammensetzu ng des Motors und die r raknonsson -
trolle beeinflusst werden (siehe auch Bild 0 -22).
1105
D Cockpi t
21
20
19
18
17
16
14
13
12
4
5
-
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(rID--",'l--!If--f- -
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7
9
10
11
Bi ld D- 22 Funktionen eines Formel -l
- Lenk rads .
1 Geschwind igkeilsbegrenzerfür Boxengasse
2 Anfahrh ilfe
3 Sprechfunk
4 Dif ferenz ial K urvenausgang
5 Anze igens teuer ung A ufwärts -Sc roüe n
6 Motorb remse un terer D rehzahlbe reich
7 Kupp lungse ing riff
8 Strategie Sicherheitsfahrzeug
9 Molo rdrehzahleingriff
10 Telem etrieschalter
11 Multituokticnsschalter
12 Mot or Aus
13 Traktionskontrolle
14 Zusatzö lpumpe
15 Tankstvt zenklaope
16 Diffe renz ial Kurvene ingang
17 Anze igensteuerung Abwä rts -Scrojen
18 Differenzialsp erre
19 Automatische r Start {Iau nch co ntr cü
20 Leerlautak tivieru nq
2 1 Mehrfachscha lter
5 Fußhebelwerk und Pedale Brac ketry and pedals
Fußhebelwerke werden hängend oder stehend angebra cht.
Bei Formel-Fahrzeugen wird die stehende A usführung
bevorzugt. Diese gewährleistet durch tiefliegende Gcbcrzy-
lind cr samt Vorratsgefäßen einen tiefen Schwerpunkt. Auch
die Befestigung der Pedale bleibt so möglichst tief.
Die Aufnahme des Pedal werks von Rennfahrzeugen
muss Kräfte von 4000 N ertrage n können [015].
Die Pedalaufh ängung muss steif ausgeführt sein, ebenso wie die Sitzbefestigung, dam it
sich für den Fahrer vor allem beim Bremsen ein gut dosierbares Verhalten ergibt. Die Ver-
schraubung erfolgt mit M8 Schrauben.
Die Pedale können in ei nzel nen Konsolen gelager t werden . Diese sollen aus min. 2 mm
Stahlblech gefertigt sein und am Boden und an der Stirnschottwand befestigt sein, Bild
0 -23. Die Konsolen können in Kastenbauweise ode r aus zwe i seitlichen Lager wänden mit
abgeka ntete n Rändern aufgeba ut sei n.
5 Fußhebel und Ped ale
D
o
II
I
\\
\ \11
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Bild 0 -23
K on sol e für Brernspeoar, nach [002].
1 B remspedal
2 Hülse
3 Konso le in Kastenbauweise
Die Konso le w ird an den Boden und die Schott-
wand angen ietet. Das Peda l lä uf t auf einer Büchse
(2), die um 0,25 mm länge r ist als die Aufnahme im
Peda l. Dad urch bleibt dieses se it liche Spie l erhal -
ten, wenn d ie Schraube. die d iese Hülse mit der
Konso le ve rb indet , vorgespannt w i rd.
Bild 0 -24
Be ispiel eines hängenden Peda ls.
Das Pedal wi rd mit eine r Konso le an die Schott-
wand geschraubt Der ma xima le Hub e rgibt sich
bei diesem Pedal zu 28 mm.
Die Pedale müssen an den Fah rer anz upassen sein . Dies ermöglichen z. B. unterschiedliche
La ge rstellen ode r vers te llba re Fu ßplat ten. Bild ll-23.
Fußhebel werke, die in eine r Einheit montie rt sind, er mög lichen eine einfache A npassung
an unterschiedliche Fah rergrößen, indem nur das Hebelwerk nach vor ode r zurück gescho-
ben wird , Bild 0-32.
Bei stehenden Pedalen empfiehlt sich ein Ansc hlag für die Ferse n. Auch dieser muss in
der Längsposition verstellbar sein. Bild D-25 zeigt ei ne einfache und leichte Lösu ng.
Die eigentliche Fu ßa uftagefläc he de r Peda le so ll rau ausgeführt sein, damit e in Abrut -
schen verhindert wird. An festen Seiten können Pedale auch eine Stützplatte au fweisen,
die den Fuß seitlich stützen. Dies ist in jedem Fall beim Fahrpeda l auf der rechten Seite
möglich. Sind nu r zwei Pedale vorha nden (Brems- und Fahrped al), so können bcidc Pedale
links und rechts Stützp latten haben .
D Cockpi t
o
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Bild 0 -25
Ferse nanschlag.
Ein abgekan tetes Blec h wird an den Bod en ge -
s chrau bt. Meh rere Bohr ungen (siehe Detail) er-
m öglichen ein Verste llen der Fersenp osition.
Platzbeda rf Vor allem bei der Gestaltun g des Bugs eines Einsitzers, aber auch bei Sport-
prototypen mit Frontdi ffusor, steht am Beginn die Frage, wie sch mal de r Fußraum ausge-
führt werden ka nn. Je weniger Platz das Hebelwerk und die Fahrerfüße beanspruchen, desto
mehr Freiheit bleibt für da s Monocoq uc bz w. Einbauten in der Fahrzeugf ront. Bild D-26
zeigt deshalb die Hauptabmes sungen eines Fußhcbclwcrk s.
Eine Abstürz möglichkeit filr den link en Fuß im Fußr au m ist vorte ilhaft.
(270 )
'"
'"
Bild 0 -26
Beisp iel vo n Abmess unge n eines Fußhebe lwe rks
eines Pkw- Kleinwagens.
Dieses Be isp iel ka nn als erste Abschätz ung heran -
gezoge n werden . wenn es um die Auslegung des
Fußraumes ge hl.
Relati ve Stellu ng de r Peda le. Die Stellung des betätigten Kupplungspedal s (durch pedal]
diktiert die Position der übrigen Pedale, weil d ieses Pedal de n g rößten Weg aufweist. Das
betätigte Bremspedal (beim Druckpunkt ) soll etwa gleichauf mit dem unbetätigten Fah r-
pedal liegen. Das ermöglicht das Zwischengasgeben mit dem Außenrist oder der Ferse
(Hacke-Spitze-Tech nik) während de s Bremscns mit de n Fußballen.
Der seitliche Abstand zwischen Pedalen hängt davon ab, ob der Fahrer mit dem linken
oder rechten Fuß bremst. Die Wege des wechselnde n Fußes sollen j edenfalls k lei n sein.
Wird die Kupplung mit der Hand oder automatisch betätigt, sind bloß zwei Pedale erfor-
derlich.
5 Fußhebel und Pedale
Fahrpedal accelerator pedat. Die Drosselklappe muss regle mentbedingt bei Versage n des
Seilzuges oder Gestänges selbsttät ig schließen (Feil-Safe-System). z . 8. durch eine externe
Feder. Darüber hinaus soll die Betätigungseinrichtung die Drosselklappe auch nicht am
Schließen behindern. Doppenwirkende Betätigungssysteme erlaube n dem Fahrer akt ives
Schließe n der Drosselk lappe, was d ie Sicherhe it steige rt.
Das betätigte Bremspedal soll gleichauf mit dem Fahrpedal liegen, dass erleichtert das
Herunterschalten mit .Fcrsc n-Zwisc hcngas" (Hacke-S pitze-Technik). Die Höhe der Rück-
stcllkraft von Federn hängt von persönlichen Vorlieben der Fahrer ab. Der prinzipielle Ver-
lauf der Drosselklappenstellung über dem Pedal weg ist dagegen am besten, wie in Bild
0-27. Bei 50 % Fahr pedalweg soll erst eine Drosselklappen öffnu ng von et wa 15° erreicht
werden. Je krä ftiger der Motor, desto hil freicher ist so eine progressive Übersetzung für den
Fahrer. Zur Konstruktion des dafür erforderlichen Hebelmechanismus bzw. der Kontur der
Seilscheibe muss der Zusammenhang zw ischen Motor-Volllastmoment und Drosselklap -
penwinkel (bzw. Schi cbcrstcllung) beka nnt sein.
D
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102030405060708090100
Fahrp edal weg ['\)
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Q0
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Bild 0-27
Verlauf der Drosseüdappenstet-
lung über dem Fahrpedalweg.
Ein progressiver Verla uf der Ken-
nung ist vor allem be i s tarker
Motorisierung für ein gefühlvo lles
Betätigen der Drosse lkla ppe hilf-
reich.
Bremspedal hrake pedal. Das Bremspedal hat nicht nur die größten Kräfte zu ert ragen,
meist übernimmt es auch noch die Aufteilu ng der Bremskraft zwischen Vorder- und Hinter-
achse. Dies geschieht üblicherweise über einen Waagebalken (brake bias bar), Bild 0·28.
Im Bremspedal (6) gleitet ein Gelenklager (7) in einem Rohrstück. Das Gelenklager ist mit
zwei Rundsprcngringcn auf einer Spindel (I) ax ial gesichert. Die Spindel trägt bcidscits
Gab eln (3), die mit Rundmuttern (2)gelenkig verbunden sind. Die Gabeln wirken direkt auf
die beiden Kolbenstangen (4) der Hauptbrcmsaylmdcr. Wird die Spindel gedreht, wandern
bcidc Rundmuttern entlang des Spindelgewindes in dieselbe Richtung. Dadurch ändern sich
die Hebelverhältnisse zw ischen den beiden Kolbenst angen und dem Bremspedal und somit
die einzelnen Bremsd rücke bei gleicher Fußkraft.
Bild 0 -29 zeigt eine einfache Aus führung, wie der Waagebalken während der Fahrt vom
Fahrerplatz aus verstellt werde n kann.
D Cockpit
,
I.
cf "-2
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cl
M10xl
4 Kolbenstange push rod
5 Rundspreng ring circnps
6 Bremspedal brake pedal
7 Gelenklager spheneal bearing
Bild 0 -28 Bremspedal mit w eeceoeee o.
Das Pedal is t im linken Bild teä teilweise aufg eschnitten dargestel lt.
t Spindel als Waagebalken mit Vierkant als An-
trieb für Coc kpitvers tellunq mreeaea bar with
sauere tor adjuslmenl
2 Rundmutte r threaded pivot
3 Gabel clavis
Bild D- 29 Manuelles Verstellsystem eines Waagebalkens.
1 Waagebalk en mit Anschluss bias bar with coup/iog
2 f lexible We lle fl exible cable
3 Verstel lrad am Ar m atu r enb rett im Cockp it adjusting knu r l BI the cocsa x: end
Durch Drehen des Verstel lrads (3) wird der Waagebalken ü} übe r di e f lexible Welle (2) verdreht. Du rch d ie
Drehu ng ändern d ie beiden Bundmut te rn. d ie übe r d en Waagebalken die B remszylinde r betätigen, ih re
St ellung zum B remsp edal und damit di e Kr af taufteilu n g des Waag ebal kens . Das Verstel lrad we ist eine
gestufte Arre tier u n g auf, damit di e Einstellung erh alten bl eib t.
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I
5 Fußhebel und Pedal e
Bild 0-30
Stehendes Brems ped al, nach [002].
Das Pedal weist ein H eb elverhältnis von 1 :3
auf. Die Fußplatte (1) ist über ein Gewinde auf
den Fah rerf uß einste llbar. Ebenso k a nn das
Pedal in unterschiedlichen Lagers telle n (2) in
der Kon sole eingebaut werden . Dazu m üssen
natürlich die Kolben stangen für d ie Bremszy-
lind er in der Läng e eb e ns o angepasst werden .
D
Die Kolbenstangen zu den Brem szylindern werden auf Knickung beansprucht und müssen
entsprechend di mensioniert sein. Lange, schlanke Kolbenstangen müssen unbedingt ver-
mieden werden. Bei den üblichen Abmessungen (ca. 0 8 mm) führen Längen über 150 mm
zwangsläufig zu Problemen.
Ped alü bersetzung leverage ratto. Die Ped alübersetzu nge n liegen bei Kupplu ngs- und
Bremspedal etw a bei 5,0 bis 6,25 : I (Wertebe reich etwa 3: I bis 6,5 : I). Der Pedalweg
(gemessen Mitte Fußauflage) beim Betätigen ein es Brem spedals beträgt bei üblichen Über-
setzungen ca. 20 bis 100 mm. Zur Begrenzung des maximalen Pedalweges werden bei
Kupplungs- und Fahrpedal einstellba re Anschläge vorgesehen, d ie die größte Fußkraft des
Fahre rs (siehe Kapitel I Bremsanlage) au fnehm en kön nen. Dies sind z. B. Schrauben, die
bei stehenden Pedalen am oberen Ende des Hebels die Fußkraft des Fahrers abstützen.
Die Pedalübersetzung ist nicht konstant, wenn das Pedal sich um sein Lager dreht und
dabei d as Betätigungsclem ent (Hydraulikkolben, Gestänge) geradlinig be wegt. Wichtig für
das menschliche Empfinde n ist, dass sich die Verhältnisse beim Betätigen nicht um keh-
ren. Bild 0-31 zeigt ein Pedal in der Stellung der maxim alen Betätigungskra ft. Über diese
Stellung darf das Pedal im Betrieb nicht getreten werden, sonst ergibt sich ein störendes
degressives Verhalten. Je mehr der Fahrer auf das Pedal tritt, desto weicher fühlt sich der
Widerstand an.
Sämtliche Peda le kön nen auch in einer Einheit vormontiert an den Bod en angeschraubt
werden. Bild 0 -32 zeigt ein Hebelwerk. das in einer gemeinsamen Kons ole gelagert ist. Die
betätigten Hydraulikzylinder und Seilzüge sind am Chassis befestigt. Die Heb eleinhe it in
Bild 0 ·33 nimmt zusätzlich zu den Pedalen auch sämtliche Hydraulikzylinder auf.
Werkstoffe. Pedale bestehen aus Stahl und Aluminium- sowie Magnesiumlegierungen.
Es existieren auch Ped ale aus CFK. Metall-Pedale werd en als Blechbiege- oder Stanztei le
gebaut oder aus dem Vollen gefräst .
Werkstoffe für Konsolen: Stahl, Titanlegieru ngen. Aluminium- und Magnesiumgussle-
gierunge n.
D Cockpit
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Bild 0 - 31 Peoalübe rsetzunq.
Das Peda l betät igt über eine Ko lbenstange (1) eine n Hyd raulikko lbe n (2), de r im Zylinde r gerad linig ge·
führ t ist. Der A nlenkpunkt der Kolbensta nge am Pedal dreh t sich u m das Pedallager mit dem Radius
R. Bei gleich bleibende r Stangenkraft FRa i st die wirksame Pedalkraft Fa zunä chst in der A usgangs la-
ge (gestrich elt) kleiner als FAd und nimmt bis zur Ma xima lstellung zu. In der Max imalstellung steht die
Kolbenst ang e norm al auf dem Pedal und ceoe Kräfte sind gleich groß. Wird das Peda l wenerqecrem.
nimmt die wirksame Pedalkraft wieder ab. Dieser Fall muss durch entsp reche ndes Einstellen des Pedals
vermieden werden, weil es für den Fahrer ein irritierend es Gefühl bewirkt.
Bild D- 32 Vollständ iges Fußheb elw erk eines Mo noposto in Exp losio nsdarstell ung (Dallara F306),
Die Pedale we rden in einer geme insame n Konsole aufgenommen und laufen auf Büchsen, die mit einer
MB-Schraube verschraubt werde n. Das Fahrpedal und das Kupplungspedal werde n mit Gelenkköp -
fen an d ie Betät igungse leme nte angesch losse n , Das B rem sped al nim mt e inen Waageba lken auf. Das
Fahrpedal weist eine seitliche Stützp latte auf, dam it der Fahrer nicht vom Pedal abgleiten kann. Vor die
Pedalkonsole w ird eine Fer senstütze gesch raubt.
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5 Fußhebel und Pedal e
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Bild 0-3 3 Beispi el eines st ehenden Hebe lwe rks als vormont ierte Einheit.
Das Fahrpedal ist geschwungen gestaltet. damit d ie Ile x i bl e Verstellwe lle vom Waagebalken des B remspe-
dals vo rbeige führt werden kann.
Maße:h-294mm.b
-
278.5 mm (214,5 mm bei 2 Peda len). t - 133 mm . Pedaiü be rsetz unq: 4,85: 1.
Das Bremspedal is t in Brernssteäcnq. d as Ku p plun gs ped al in Mittelstellunq dargestellt. Die Fahrpecar-
steIlung w ird ind ivid uel l ang epasst.
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Bild 0 -34
Peda le eines Fc rmet-t-Cockpits (Ferrari
Fl -2002).
Das Ku pplungspe d al ist n icht erforde rlich,
we il über einen Sch alter am Lenkrad ge-
ku ppe lt wi rd. Die beiden Pedale sind also
Brems- u nd Fahrpedal. Die Peda le si nd in -
divid uell auf die Wünsche des Fahre rs ein-
gestellt. Die seitlichen Platten verhindern,
dass die Füße vom Pedal abg leiten. Die
Fersen des Fahrers sind zusätzl ich in wan -
nen a rt igen Vert iefungen geführt. Es gibt
auch Fahrer, die ceroe Pedale wahl weise
mit einem Fuß betätigen möch ten. Für di-
ese w er d en die beiden inne n liegende n
se itlichen Platten zw is che n den Pedalen
en tfernt.
Die Aufteilung der Bremsk raft erfolg t bei
diesem Fahrze ug über einen waaqe teiken
der sich an der festste henden Seite de r
B remszylinder bef indet u nd über einen Hy-
dra ulikzylinder beweg t wi rd. Auf de r Ped al-
seite genügen desha lb starre Aufnahmen
der b eiden Gelenkköpfe.
D Cockpit
Bild 0 -35
Beinraum eines Formel-BM W -Fahrzeuges.
G ut zu erkennen ist der Waagebalken zur
Brems krattautteüunq vorne/hinten am
Bremspedal (die flexible Welle zur Verstel-
lung ist links oaran angebracht) sowie der
Abs tützwnket für die Fersen des Fahrers.
Durch die Öffnung in der vorde ren Schott-
wand sind die Vorr atsb ehäller der Ha upt-
bremszylinder zu se hen, Ob en in der Mitte
verläuf t die Lenkwelle.
Ein Querrohr verb indet d ie Anfenk pu nkte
der oberen Querlenker und trägt so zu r di-
reklen Kraftübertragung bei.
Bild 0 -36
Beinraum eines Formel-l -Fahrzeugs
(Toyota 2007).
Die beiden Pedale sind Bremse und Fahr-
oeo et Das Le nkget rieb e sitzt relativ li ef. Die
Lenkwelle läuft zwischen de n Pedalen hin-
durch, was aber kein Problem darstellt, weil
d ie Füße d ie Peda le nich t wechseln,
6 Schaltung Gear Iinkag e
Eine exakt e Übertragung de r Fahre reingaben be i alle n Fahrzu stä nde n ist wichtig. Schlec ht
oder falsc he ei ngelegte Gänge und z u lange Schaltwege koste n Zeit. Die Ba uelem e nte der
äußere n Schaltung, also das Gestänge bzw. die Seilzüge, müssen mit genügend Bewe-
gungsfreiheit verlegt werden, da mit sie nur die gewollten Bewegu ngen und diese auch unter
Einwirk u ng großer Bes chle unig ungsk räfte und Verfor mungen de s Fahrzeugs übertragen
[014]. Dass Gestänge auch Relativbewegungen zwischen Getr iebe und Rahmen/Chassis
ausg leichen müssen. wie das bei Serien-Pkw der Fall ist, kommt bei Rennfahrzeugen selten
vor. Der Motor-Get riebe-Verba nd ist ja meist mittragendes Glied in de r Strukturkett e des
Wagens und dad urch sind solche Beweg ungen a usgesch losse n.
Gestä nge für reine Zug/Dr uckbeweg ungen werde n mit spielfreien Kugelgelenken ver-
bunden . Müssen auch Drehbeweg unge n übertragen werden. tret e n an ihre Stelle Kre uz-
gelenke, z. B. Bild D~37 oder Bild J-20. Bild D-37 zeigt die vollstä ndige äußere Schaltung
eines Rennfahr zeugs mit H-Scha ltung. Das Gestä nge ist au s meh rere n Einzelel e mente n
aufgebaut, die miteinander verschwei ßt oder verschra ubt sind. Das Gestä nge wird in geeig-
neten Gele nk köpfen (vorn e) bz w. Gelenklager n (hint e n bei m Du rcht ritt durc h eine (Se holl-)
6 Schaltung
Bild 0-37 Schaltgestänge für H -Scha ltung .
Der Sch althebe l ist rechts neben dem Lenk rad
eines Mon oposte angeordnet.
Wand geführt. Die Verbindung z ur Schallwelle des Getriebes erfolgt über das letzte Rohr-
stück mit einer Quers chraube .
Die Funktion de r Schaltung wird aus der Darstellung der Hebellageru ng in Bild 1}-38
ersichtlich. Der Fahrerw unsch wird über de n Knauf des Schalthebels (I) eingeleitet. Dabei
muss zw ischen einer Wählbewegu ng W (Wahl de r Schaltgas se) u nd der eigentlichen Schalt-
bewegung S (Verbinden eines bestimmten Zahnrads mit der Gctricbcwcllc) unterschieden
werden. Bei der Schaltbeweg ung dreht sich der Hebel (I) um die Schraube (2). Die Schrau-
be selbst steckt in Laschen der Schaltwelle (3). Dadurch dass die Hebelverlängerung mit
einem Kugelzapfen in einer Bohru ng der Führungsachse (4) aufgenommen wird, wird beim
Schalten die Schaltwelle nach vor oder zurück be wegt. Die Führungsachse selbst ist über
einen Gele nkk opf(S) mit dem Rahmen verschraubt. Ein Einschweiß stück mit Gew inde (6)
ermöglicht eine Einstellung des Gestänges. Bei der Wählbewegu ng wird de r Hebel mitsamt
der Schaltwe lle (3) um die Führungsachse gesc hwenkt.
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2
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Bild 0 ·38 Scha ltheb el für H -Scha ltung .
Diese Anordnung wird für die Scha ltung in B ild 0 -37 verwendet.
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11
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D Cockpit
Bild 0 -39
Scha ltung m it Zug-D ruck -Bowdenzug
gear shift by push-pull ceoe .
1 SChallknauf shitt knob
2 Hebellag eru ng. an den Rahmen/Chassis ge -
schra ubt lever pivot bearing bo/ted to fram e
3 Gelenk kop f mit Muttergewinde female rod end
4 SChelle clamp
5 Zug -Druck -Bowdenzug push -pull cable
6 Win kelst ück angle bracket
7 Gabelaufnahme c lavis
An Seilzügen werde n vorteilhaft solche ei ngesetzt. die Zug- und Druckk räfte übert ragen
können. Bild 0-39 stellt ein Beispiel für eine A nwe ndung dar.
Ein Hebel (1) ist auf einem Zapfen (2), der an die Cockpitwand geschraubt ist, gelagert.
Das Hebele nde ist mit einen Gele nkkopf (3) verbund en. Ocr Zug-Druck-Bowdcnzug ist
direkt in das Mutte rgew inde dieses Gele nkkopfs gesch raubt. Hebelsehig bildet eine Schelle
(4) und gctr icbcs cirig ein Winkelstück (6) das Widerlage r. Bcidc Syste me er mög lichen eine
leichte Einstellba rken . Die Aus führu ng des Ansch lusses a n den Ge trie behebel richtet s ich
nach dessen Gestalt. A n das Ende des Bowdenzugs können Winkelköpfe, Gelenkköpfe,
Gabelstücke und äh nliches aufge schraubt und mittel s Konte r mutter ge sicher t werde n.
Der Schalthebel soll möglichst nah am Lenkrad angebracht sein. Dam it ist der Weg für
die Hand z um Schalten klein und die benötigte Zeit bleibt kurz. Das Lenken und Schalten
muss natürlich uneingeschrä nkt möglich sein . Die erforderliche Handkraft zu m Schalten
soll bei Pkw 120 N nicht übe rschreiten und liegt allge mein in der Spanne SO bis 120 N.
Dabei ist der Übertragu ngswirku ngsgr ad der gesa mte n Scha ltung zu berück sichtigen, de r
häufig kleiner als 70 % ist [Dill. Die übliche n Überset zu ngsverhä ltn isse z wische n Scha lt-
hebel und Schaltmuffe liegen im Bereich 7: I bis 12 : 1.
Wenn die Schaltung seq uentiell über ei nen Hebel erfolgt, ist es vorteilhaft, d ass Hinauf-
schalten durch Ziehen und Herunterschalten durch Drücken erfolgt. Die auf den Fahrer
einwir kenden Beschleunig ungskräfte unterstützen so die Schaltbewegu ng [D05].
Der Rückwärtsgang und der Leerlaufkönnen bei aktuierten Get rieben durch eine n sepa-
raten Knopf am A rm at urenbrett aktiviert werden . Bei manuell geschaltete n sequentiellen
Get rieben we rden der Retou rgang und der Leerlauf über ei ne Vorrichtung im Getriebe
gesperrt. Diese Blockierung muss über einen Hebel im Cockpit vom Fahrer bewusst aufge-
hoben werden und erst dann kann er über den Schalthebel den gewünschten Gang einlegen.
So ist sichergestellt , dass er in der Hitze des Gefechts nicht den falschen Ga ng erw ischt.
Die Betätigung sequentieller Schaltungen kann auch direkt am Lenkrad über Knöpfe,
get rennt für Hoch- und Runterschalten, oder über Schaltwippen dargestellt werden.
8 Rüc khaltesysteme
D
Bild 0-40
Scha ltw ippe am Lenkr ad.
Der Gang we ch sel erfolgt durc h
Ziehen an einer Seite der Wippe.
Eine Seite dient dem H inauf- . d ie
gegen überliegende Seite dem
Herun terschalten .
7 Armaturenbrett Dashboard
Das Armature nbrett enthält die wichtigsten A nze igen und Schalter. Besonders bei Einsit-
zern lässt sich mit einer hufeisenförmigen Ar mature ntafel wie in einem Flugze ugcockpit
eine saubere Anordnung der Instru mente erreichen. Eine elastische Lagerung der Armatu-
rentafel oder einzel ner Instru mente hat sich bewährt. Eine sta rre Befestigung am Rahmen
kann durch Vibrationen die Lebensdauer von Instrume nten unakzcptabcl verkürzen .
Folgende Anzeigen finden sich unter ande rem an ausgeführten Fahrzeugen: Drehzahl-
messe r, Schultzeitpunkt. Öld ruck, Temperatu r de r Kühlfl üssigkeit. Ölrcmpcratur, Kraft-
sroffdr uck, Kontrollleu chte für Zündu ng-Ein, Öldruckwarn leuchte.
Ergänzt werden die A nze igen durch diese Schalter: Hauptschalter. Kraftstoffp umpe.
Starterbetätigung. Rücklicht, Drehzahlbeg renzet Motor, Feuerlöscherbetätigung.
8 Rückhaltesysteme Restraint systems
Rückha ltesysteme haben die Aufgabe den
Fahrer fest mit dem Sitz zu verbinde n. Das
Ist bei e xtre men Fahr manöver n nöt ig, dam it
der Pilot die Steuerelemente bedienen ka nn
-~
und sich nicht daran festhält. Die Halte-
funktion wird aber auch bei einem Unfa ll
...
'."
....._ -''1'
bed eutungsvoll , weil ohn e Rück haltesystem
~'''''~'
die Kom binat io n nachg iebiges Crashele ment
und steife Sicherheitszelle für de n darin befindliche n Me nschen wirku ngslos wird. Als a ne r-
kannte Rückhaltesysteme gelten Sicherheitsg urt und Airbag. Währe nd de r Airbag beim Pkw
1117
D Cockpi t
Standard ist, ist sein Einsatz im Moto rsport äußerst selten. Das hat mehrere Gründe. Erstens
wirkt er nur einmal. Beispielsweise ist er bei Mehrfach-Überschlägen somit unbrauchbar.
Zum Zweiten tragen Motorsportier Helme. Das kann bei ungünstigem Zusam mentreffen mit
dem Airbag zu Kieferbrüchen führen. Es wurden für Rennsportanwendungen auch Zusatz-
systeme entwickelt, z. 8. da s HANS-System. HANS steht für Head andNeck S uppo rt (Kopf
und Hals St ützsys te m). HANS verhinde rt, da ss der Kopf (z usätz lich mit der Helmma sse
,.beschwert") bei einem Aufpra ll zu sta rk nach vorne gezoge n wird. Der restliche Kör per
wird ja d urch die Gurte zurückgchalten. HANS entlastet dadurch den Nacken bei einem
Aufprall. Für den Einsatz von HANS ist beim Helm ei ne eigene Aufna hme erforderli ch. Die
beiden Haltebänder werd en an beid en Seiten des Helms cingcklipst, Bild D-4 1. Tabelle D-2
zeigt sichere Kombi nat ionen von Rückhaltesystemen für den Motorsport.
1
-
10'. 0
LJ
Bil d 0 -41 HANS System.
Es sind zwei Stellungen des Kopfs beim Aufprall oa rqsten: 1 mit HANS, 2 oh ne HANS.
Das HA NS-System stabilisie rt den Köpt/ Helmverba nd, so dass bei einem A ufpra ll de r Nacken ent lastet
wir d. Das System besteht aus einem Joch, das d er Fahrer über die SChultern stü lpt. Zwischen Sch ultern
und Joch passt sich ein Luftpols te r d em Fahrer a n. D ie Schu ltergu rte werden über da s Joch gelegt. Im
Halsberei ch befin det sic h eine Erhöhu ng über die ein Halteriemen läuft. Dieser Riemen wird beid seits
des Helms mit einem Schnellve rschl uss verankert.
Tab . 0 -2 Sicher e Kombinationen von Ruckhaltesystemen. nach [006].
Rückh altesy st emkombi natio n
Helm
Gurt
HANS
3-Pun k t
i'
6-Pu nk t
nein
ra
Vollvisier
Sicherheitsg urte bilden zusammen mit einer steifen Überollstruktur in Rennfahr zeugen die
Überlebe nszelle für de n Fahrer. Gurte werden am Rahmen, den Überrollbügeln und de r
Karosserie vera nkert. Im Grunde sind alle verfü gbaren Gurt syste me gleich, sie unterschei-
den sich nur in der Anzahl der Befestigungen. Die Anzahl der Befestigungspu nkte ist für
die Bezeichnu ng ausschlaggebend. Den größten Schutz bieten Sechs-Punkt-Gurte, die vor
allem bei Monoposte verwendet werden. In anderen Renn klassen werden auch Drei- und
Vier-Punkt-Gurte eingesetzt.
8 Rückhaltesyste me
D
2
•
Bild 0 -42
6-Punk t -Gu rt six-point hamess.
1 Schu ltergu rt srovaer strap
2 Bec kengurt seo strap
3 Bein - ode r Schr ittgurt eruteh strap
Der Sch ultergurt (1) m uss laut FIA
3 inch (75 mm) breit sein und der Be-
ckengurt (2) 2 Inch (50 mrn). Der dritte
Gurt ist der Beingurt. Der Verschluss
ist ein zentr aler Drehverschluss .
Bild 0 -43
Bereiche für Befestigungss tellen von Sicherheits-
gur ten nach FIA.
Die auf den Sitz bezogenen empfohlenen Bereiche
(grau schatt iert) für die einzelnen Gurt teile geben
d ie Stellen vor, an denen die Gurtenden im Fahr-
zeug befestigt werden müssen.
-
o.
o
N
•.,
Wichtig bei der Anordnung der Gurtteile im Fahrzeug ist ihre Einstcllba rkcit auf unter-
sch iedliche Fahrerabmessungen. Dabei muss nicht nur der Schultergurt. sondern auch der
Beckengurt leicht verstellbar sein. Die Gurtkräfte nimmt der Beckenk nochen auf und der
Zentralve rschluss liegt somit am Unterbauch an. Bei Tourenwagen reicht für Beckeng urte
dasselbe Spannsyste m wie beim Sehulterg urt . In Formelwage n, bei denen die Helfer j a nur
von oben die Gurtteile spanne n können, sind Systeme, die auf Zug gespannt werden, besser
handhabbar.
Für offe ne Fahrze uge werde n a ueh eigene A r mschlaufen (arm restraintsi ver wendet, d ie
verhindern , da ss die Arme des Fah rers bei einem Überschlag über den Cockpitrand schlagen.
Diese Schlaufen werde n a m Be ckengurt ein-
geradelt, so dass der Fahrer keine z usätzliche
Verriegelung öffnen muss um das Fah rzeug
zu verlasse n (5 Sekunden Regelt).
Für Rennfah rzeuge sch reibt die FIA im
Anhang J, Ar tikel 253, Mindestengaben für
Sicherheitsgurte vor.
Gurte dürfen nicht direkt am Sitz befestigt
werden, sondern müssen die Kräfte direk t am
Rah men bzw. an der Karosser ie abstützen.
Die Bereiche, in denen Befestigungsstellen
empfohlen werden, ergeben sich durch die
empfohlenen, auf de n Sitz bezogenen Lagen
einz el ner G urtteile. Bild U-43. Beim Schul-
tergurt ist zu erwähnen, dass die auf den
D Cockpi t
erste n Blick ideal erscheinende waagrechte Position nur für einen Frontala ufprall ideal ist.
Bei einem Überschlag hältder nach unten verlaufende Gurt den Fahrer wesentlich effizienter
im Sitz. Ocr empfohlen e Berei ch ste llt a lso einen Kompromiss aus beide n Fä llen dar.
Jede Befestigungsstelle muss eine Kraft von 1470 daN bz w. 720 daN für Schrittgurt e
ertragen können. Es können auch zwei Gürtenden an einer Befestigungsstelle angebra cht
sein (z. B. Schrittg urte) . Diese muss da nn der Summe beider Kräfte widerstehen können.
Werde n Gegenplatte n bei Karosserieblechen erforderlich, müssen diese ei ne Mindcslstärk c
von 3 mm aufwei se n und eine Kontaktflache von mindestens 40 crn- s icherstellen.
Die Befestigungsstellen im Fahrzeug sind in Bild 0 ·44 zusammengefasst. Für die
Enden der beide n Sehultergurte existieren eigene Vorschriften zur Befestigung, Bild 0-45
und 0-46.
Bild 0 -44
Befestigungsstellen am
Fahrzeug.
1 Schulterg urte. Es sind
zwei verschie dene
Arten gezeigt
2 Beckengu rt
3 Sch rittgurt
ec
2 ' __"'"
~\;
,
~,
r.-
-
·l~
\-
-
l.412 \
7 /16 UNF
Bild 0-45 A r ten der Schu ltergu r tbef estigung.
Sch ultergurte können am Über rollkäfig oder einer entsp rechend dimensionie r ten Verstärk ungsst rebe
m ontie rt sein.
1 Schlaufenbefestigung fixing by cco
2 Ringschraube eyebolf
Die Verstärk ungsst rebe muss aus einem Rohr 38 x 2,5 ode r 40 x 2 mm bestehe n. Das nahtlos kaltge-
zog ene Roh r m uss aus Kohl enstoffstahl mit Rm ~ 350 N1mm2 bestehen. Wird eine Schra ube eingesetzt
(Variante 2), m uss diese in eine eingeschwe ißte Hülse mit den angegebenen Maßen eingeschraubt we r-
den. A uch die se Schr aub en m üssen - wie bei and er en Befestigung s stellen - minde stens M12-8 ,8 sein.
Eine alternative Befestigung ist in Bild 0-46 zu sehen ,
8 Rüc khaltesyste m e
Sind keine Rahm enrohre vorhanden - wie etwa in einem Monoeoque - bietet sich für Schul-
terg urte eine Alternative an, Bild n·46.
Bei allen Kar osseriebefestigungsstellen können Ringschrauben oder Kopfschraube n ei n-
gesetzt werden. Die Schrauben können bei Produktionswagen in die originalen Gurtauf-
nahm en geschraubt werden. Wie bei jeglicher Schra ubverbindung soll die Schraube über
ihre Vorspannkraft eine quer z u ihrer Achse gerichtete Reibkraft hervorrufen. Diese Reib-
kraft ist die eigentliche Haltek raft der Gurtlasche. Die Sch raube soll also nicht durch die
Gurtkra ft gezogen werden.
D
Bild 0 -46
Alternat ive Befestigung eines Scnulte rqurts .
Diese Befestigung w ird erforderlich , wenn keine
Rahmenrohre ode r kein Überrollkäf ig vorhanden
ist. Die Aufnahme konsole selbst muss m it einer
Gegenp latte mit de r Karosserie verschraub t wer-
den.
Bild 0-47
Allgemeine Betesuqunqsstet-
le für ein Gurtende mit Ring-
sch raube,
Die Ringschraube kann auch
in die Originalaufnahme des
Gur ts bei Produktionswagen
geschraubt werden.
Bild 0 ·48
Allgemeine Ausführung einer
Befestig ungsstelle mit Kopf-
sch raube,
1 Schraube min. M12-8 .8
oder 7/16" UNF
2 Karosserie bzw. Rahmen
3 Gegenplatte
Die Gegenp latte muss minde-
stens 3 mm dick sein und eine
Kontakt fläche von 40 ome auf-
weisen.
D Cockpi t
2
=
3
=
Bild D· 49
Befestigung eines Schr ittgu rts.
1 Schr ittgu rt cnncn strap
2 Halteplat te fitting plate
3 Karosser ie bzw. Chassis body or coeees
4 Geqenplatte counterpla te
Für die Gurte nden bei Schrittgurten gibt es eine einfache Art der Verankerung mit der
Karosserie ohne Blcchlaschcn, Bild 0 -49.
In der StVZO Regel ung NT. 14 ,.Veranker ung der Sicherheitsg urte in Perso nenkraftwagen"
wird u. 3. vorgeschri eben [003]:
die Mindcstanzahl de r vorzu sehenden Verankerung en (für die äußeren Sitzplätze j e zwei
untere und eine obere, für alle anderen Sitzplätze zwei untere)
die Lag e der Gu rt verankerungen
die Widerstandsfähigkeit der Verankerunge n (sie wird über eine Zugvorrichtung geprüft.
Es müssen die obere und die gege nüberliegende untere und gleichzeitig die beiden unteren
Veranker ungen einer Zugkraft von je 13500 N und bei Verwendu ng von Beckengurten
die beide n unteren Verankerungen einer Zugkraft von 22250 N über 0,2 s standhalten) .
die Maße der Gewindelöcher der Verankerungen.
9 Beispiele Examples
Nachfolgend geben ei nige Bilder einen Eindruck von ausgeführten Coc kpits unte rschied-
lich er Fahrzeuge.
9 Beispiele
Bild 0-50
Coc kpit eines Produktions-
spo rtwagens (Saube r M er c ed es
C9, 1989).
Die Schaltung erfolgt über einen
Scha lthebel neben dem Len krad.
Die Obe rschenkel des Fahrers
werden seitlich d urch Gu rte in
de r Posit ion gehalten.
Bild 0-51
Coc kpit eines Formel-BMW-
Fahrzeugs.
Der screnrecei (1) für die se-
q uentielle Schaltung befinde t
sich r echt s neben d em Len krad.
Der Drehsch alter (2) dient zu r
Verste llung der Brernskrattauttet-
lung vorne/hinten,
Bild 0-52
Fahrerp latz eines Formel-
Penault-Permwaqens .
Das Le nkrad ist mit dem Schne ll-
ve rschl uss abgenommen, das
Ende der Lenk we lle ist deut lich
zu erkennen.
Ein 6-Pun k t-Gu rt hält den Fahre r
im ind ividuell qeschä um ten Sit z.
Dieser besteht aus zwei Teilen,
d. h. das Gesäß des Fahrers be-
rührt den Coc kpit cooen
Unte r den Fahre rkn ien bef indet
sich d ie Batte rie.
D
D Cockpit
Bild D-53
Cockpit eines Proouknonsspcrt-
wagens (Faust P94).
Das Coc kpit ist für das Regle-
ment zweisilzig. wenn tatsächlich
auch nur eine Person da rin Plat z
nehmen kann. Man beachte den
se itlichen Ha lt des Piloten und
die wannena rtige Sitzpos ition
(Abs tand zwischen Fahrerknie
und lenkrad).
Bild D-54
Cockpit eines Tourenwagens .
Das Fahrzeug basiert auf einem
Serien-Pkw, aus dem alle unnö-
tigen Einbauten entfern t wu rd en
und ein Überro llkäfig hinzuge-
fügt wu rde. Das Lenk rad ist ab -
genommen und bau m elt neben
der rech ten Vordertü r an einem
Haken.
Aerodynamik
Aerodynamics
War es am Anfang der Rennfahr zeugentwicklung noch von vernac hlässigter bzw. unterge-
ordnete r Bedeutu ng, welche Einflüsse die Luft auf ein Fah rzeug hat. so ist die Aerodyna-
mik heute in de n meisten Rennserien das bestimmende Entwicklu ngsinstrument. dem alles
andere untergeo rd net wird.
E
E Aerodynami k
1 Einleitung Introduction
Die Aerody namik beschäftigt sich mit der Luftströmung um ein Objekt. in dem Fall um das
Fahrzeug. Die Einflüsse sind dabei vielfaltig und reduzieren sich nicht nur auf den Luftw i-
derstand. Dieser ist zwa r ein Bestandteil der Entwicklungsarbeiten. ist er doch hauptver-
antwo rtlich für die erz ielbare Höchstgeschwindigkeit, gleichzeitig wird aber versucht den
Abtrieb möglichst groß zu halte n, dam it die Haftung der Reifen unterstützt wird. Es genügt
jedoch nicht die Luft möglichst effizient um das Fahrzeug zu lenken, sonde rn sie muss auch
zu r Abfuhr der Wärme von Bremsen und Motor durch das Fahrzeug geleitet werden. Wei-
tcrs ist kühle Luft für den Fahrer und den Motor gleicher maßen für die Funktion wichtig.
Die Luft in Erschei nungsform von Wind u nd als vorhandenes Medium beeinflusst weiters
die Fahrstabilität eines Fahrze ugs vor allem bei hohen Fahrgeschwindigkeiten. Bild ":-1 .
Welchen immensen Einfluss der Abtrieb auf die Fahrleistunge n von Rennfah rzeugen hat,
kann Bild ..:-2 entnommen werde n. Vor allem die fahrbare Querbeschleunigung und das
Bremsvermögen nehmen mit steigender Fahrgeschwindigkeit stark zu . Aber auch die Trak-
tion und damit das Beschleunigungsvermögen nehmen anfangs mit der Geschwindigkeit
zu und erreichen naturgemäß ein Ende, wenn d ie Motorz ugkraft und die Fah rwiderstände
gleich g roß sind.
Das Schwierigste bei der Entwicklung ist wohl die Tatsache, das s kein Bauteil allein im
Luftstrom wirkt, sonde rn im Gege nteil alle Teile ein ande r beeinflussen. Ein Flügel, der
für sich allein im Windk anal angeströmt wird, erze ugt einen de utlich anderen Abtrieb, als
derselbe am Ende eine s Fahrze ugs, der im vom Fahrze ug bee influssten Lufts trom steht. Das
gilt natürlich nicht nur für Teile an eine m Wagen. Fahren zwe i Fah rzeuge beispielsweise
Fatlr stabil1t U
Luftkr äf te
Uomente
StrOllungsver -
hiiltnisse
Bild E·1
Aerodyn amische Einflüsse auf
Fahrzeuqtunktonen IED5].
Die Wirkung von Luft auf ein be-
wegtes Fahrzeug ist vielfältig und
betnttt nich t nu r Luftwiderstand
und Ab trieb.
1 Einleitung
Fahrgeschwindigkeit
E
Beschleunigen
(Traktion)
Geringer Abtrieb
Hohe r Abtrieb
Quer-
besch leunigung
I
I
I
I
I
I
I
I
\
\
\
\
\
I
I
\,
Que r-
beschleu nigung
Bild E-2
Einfl uss von aerodynamischen
Maßnahmen auf die Fahrleistun-
gen von Rermtabrzeuqen nach
[E02). vgl. auch Bild B-12.
Geringer Abtrieb bewirkt zwar
höhere Endgeschwindigkeil. aber
ger ingere fahrbare Querbesc hleu -
nigungen. Hoher Abtrieb so rgt für
weitaus größere mögl iche Quer-
beschleunigungen auf Kosten de r
Endgeschwind igkeit
hinterein ander. beeinfl usse n bcid c einander in ihre m aerodynami sche n Verhalten. Darüber
hinaus änd ert sich da s aerody namische Verhalten eines Fahrzeugs bei Sehräganströmung.
also einer Anströmung abweichend von der Fahrzeuglängsachse. Dies ist der Fall bei Seiten-
wind oder bei Kurvcnfahrt . Bei Kurvenfahrt ergibt sich eine Schrägenströmung durch den
Sehwimmwi nkcl des Wagens (in der Größenordnung bis ]()O). der wiederum eine Folge der
Reifcnschräglaufwinkcl ist. Durch eine Schrägenst römung nimmt der Luftwiderstand des
Fahrzeugs zu und der Abtrieb ab.
Bild E-3 und Tabelle E-I zeigen beispielhaft für einen Formel -I -Wagen einzel ne Beiträ-
ge von Fah rzeugteilen zu Luftw iderstand und Ab- bzw. Auftrieb.
Daraus werden auch jene Bereiche ersichtlich. die besonderen Augenmerk in der Aero-
dynamikentwicklung verdienen. Dazu gehört der Unterboden. der nur 10 % des Luftwi-
dcrstands verursacht und mit 41 % einen wesentlichen Beitrag zum Abtrieb leistet. Seine
aerodynamische Effizie nz im Sinne eines Abtriebs. der wenig Leistung kostet, d rückt sich
im sehr hohen Verhält nis (10.9) von Abtri eb zu Widerstand aus. Ebenso arb eitet de r Front-
flügel sehr wirkungsvoll. Der Heckflügel weist ei ne ähnliche Effizienz auf wie das Gesamt-
fahrzeug und bietet sieh de shalb als Einstellelement an der Ren nstrecke für ein gewünschtes
Abtrieb/Widerstandsverhältnis an. Die Räder im Gegensatz dazu erzeugen nicht nur uner-
wünschten Auftr ieb. sonde rn t ragen auch noch wesentlich zum Luftw iderst and bei.
E Aerodynami k
1,I
Bild E- 3 Bei träge zu Luftwiderstand und Auftrieb von Fahrzeugle ilen (Farrari F1-2000), na ch [E0 2].
Angaben in % . Oie We r te beziehen sich a uf eine mittlere Abtr iebseinstellung und 16146 mm Bodenab-
stand vorne/tunten. Die Zahlen am Fahrerhelm stehen für alle üb rigen Teile des Fahrzeugs.
Tab . a -t Bei träge von Fahrze ug komponenlen zu Luftwiderstand und Abtrieb [E02J.
Komponente
Luftwid er st and
Abtrieb
cAlcw
Cw
Antei l (%1
C,
Anteil(%]
[-I
Frontflügel
0,123
13.2
0.9699
36.9
7.859
Heckflügel
0,297
31,8
0,899
34,4
3,029
Un terboden
0,099
10,6
1,080
41,3
10.911
Vorderräder
0,150
16.0
-0 ,038
-1 ,4
-0 .251
Hinterräder
0,187
20.1
-0,061
-2 .3
-0.326
tertciecne (barge boards)
0,023
2,4
-0,020
-0,8
-0,889
Rest
0,055
5,9
-0,210
-8,0
-3,793
G esamt
0 ,934
100
2,617
100
2,802
Anm.: Negative Vo rzeichen bedeuten A uftrieb,
2 Luftwiderstand Aerodynamic drag
Die Grundlagen der physikalischen Zusam menhänge sind in Kapitel K 1.3 Getriebea usle-
gung beschrieben. Der Luftwi de rstand beein flusst direkt die erz ielbare Höchstgeschwin-
digkeit und den Kraftstoffverbrauch. Dennoch darf seine Wichtigkeit vor allem bei ausrei-
chender Motorisieru ng nieht überschätzt werden. Auch Renn fah rzeuge fahren nicht immer
Höchstgeschwind ig keit und Abtrieb, Bremslei srungen. Wär meabfuh r us w, entscheiden
ebenfalls über Rundenzeiten. Bild B-1O füh rt dies anschau lich vor Auge n.
2 Luftwiderstand
Zur Red uzierun g des Luftwidersta nds könn en fah rzeugseitig dab ei beeinflusst werden :
Luftwiderstandsbeiwert Cw(drag coeffic ienn als Maß für die aerody namische Formgüte.
•
projizierte Fah rzeugfläche.
Änderungen des cw-Wertes kön nen durch Einzelrnaß nahmen wie Unterbodenverkleid ung.
Spoiler, Abdichtungcn ctc. erreicht werde n. Die erzielbare n Veränderu ngen lassen sich zwar
nicht absolut aber relativ zum Ausgangszu stand des Fahrzeugs angeben, Tabelle E:'2.
Tab . E-2 Erzielbare Veränder ungen des c w·Wertes durch Einzeimaßnahmen be i Pkw [E05].
Einflu ss von
OCw [%]
Einflu ss von
OCw [%]
Niveau-Absenkung 30 mm
ca. -5
Dorchströrn unq von Wärme- +4 bis +14
tauscher und Motorraum
qlatte Rad kappen
-1
bis -3
Breitreife n
+2 bis +4
Bremsenkühlung
+2 bis +5
auße nlieg end e Scheiben
ca.-1
Innenra umbelüftung
ca. +1
Abdichtung von Spalten
-
2 bis-5
geöffnete Fenster
ca. +5
Bodenverkleidungen
-1
b is-7
geöffnetes Sch iebedach
ca. +2
Klappscheinwerfer
+3 bis +10
Surfbrett- Dachtranspo rt
ca. +40
Außenspiege l
+2 bis +5
Die projizierte Spantfläche wird durch das Konzept bzw. das Reglement beeinflusst: freiste-
hende - umschlossene Räder. offenes - geschlossenes Cockpit, Spurwe iten vorne - hinten,
Anordnung der Wärmetauscher. Reifendimensionen. Überrollbügel. Lage und Größe von
Flügel n.
Der Luftwiderstand isl vor allem bei hohe n Fahrgeschwindigkeiten so groß. dass er in
hohem Maß zur Bremsverzögerung eines Wagens beiträgt. Bei einem Formel-I-Wagen
beträgt die Verzögerung durch die Fahrw iderstände bei hohcr Geschwindigkeit etwa 1g (!) .
Das führte in de r Vergange nheit zur Idee den Luftwidersta nd gezielt zum Entlasten de r
Radbrems en heran zu ziehen. Uild E-4 .
E
Bild E- 4
Lut teremse an einem Rennfahr -
zeug (Mercedes).
Die Klappe lieg t be i normale r
Fahrt an de r Außenhaut an . Beim
B remsen wird sie in d ie gezeigte
Stellung gefah ren und e rhöht so
sowoh l den Lut twioe rstandsbei-
wert a ls auch d ie Span lfläche
enorm .
E Aerodyna mik
ena e-s
NACA Einlass.
Über NACA-Einlässe können B rem-
sen. Ölkühler; Motoren u sw. strö-
mungsgünst ig mit luft verso rgt
werden .
NACA-F.inla ss NACA duct . Diese Öffnung ist die empfohlene Luftein lassgestalt ung de r
NACA (National Advis ory Committee for Aeronauü csv an de r Ka rosseri e oberfl äche. d ie
kaum Beeinträchtigungen des Luftwidersta nds hervorruft. Ein solcher Einlass stellt also eine
brauchbare Alternative zu Hutzen oder ähnlichem dar. Laminar an der Karosserieoberfläche
strömende Luft wird du rch einen AbsaugclTckt hervorger ufen durch Randwirbel in den Ein-
lass abgelen kt .
Ausleg u ng von NACA-Einlässen
I. Aus de m Luftbedarf bei einer bestimmten Geschwi ndigkeit für den Motor. den Wärm e-
tauscher ctc. folgt aus dem Bild [-6 die Einlassquerschnittsfläche A1.theoll:li",h'
2. Die tatsächlich e Einlassquersch nittsfläche Al = b . h wird ca. 2 x größer gewählt, weil der
Dur chfl us sbeiw ert eines NACA-E inlasses etwa 0,5 bet rägt .
3. Aus der Fläche AI folgen aus den gü nstigen Höhen /Breiten-Verhältnissen Höhe hund
Breite b des Einlasses: hlb = 1:3.5 bis 5,5.
4. Die Dicke t der Lippe soll etwa n.5
. h sein. Lippengestalt ung siehe Bild [ -7.
'00
...... ,
".
.;
. ..~
,
"
"
...L, ...i. J.. _
..i. ;.._
..--f-
ii'
'c " ··,,, ·"',""'.~'~'2).,:.- · 1. ------ -j
-
-
-
-
-
-+ -- -----i
'3
0
o .,,~ ,,
+'\;\""'
.~
,
:e: 250
S
-
0: 200
•
"~ 150
,
•
~ 100
"
,
~ 50 l1~~~;:tIILtL_
'00
400
600
800
E1nlassflAche ( cn' )
1000
1200
Bil d E- 6 Zusammenhang zw ischen Luftgeschw ind igkeit und Einlass/ lache bei NACA-Einlassen. nach
[E14). Aus einem gewü nschten Luftdurchsatz in m 3/h fol gt aus der mit tle ren Strömungsgeschwindigkeit
d ie gesuchte Einlassf läche der NACA -Öffnun g_
130 I
~I
1.85't
i"I
2 Luftwiderstand
Bild E·7
Lippengestaltung eines NACA-E inlasses.
nach [E14). Die Maße sind in Parameterdar-
stellung angeführt, o. h . basierend auf de r
Lipp endic ke t.
E
5. Die Gesamtlänge I folgt aus dem empfohlenen Rampenwinkel a von 5° bis 11 °
__
/~(h+t)/tana
6. Die Einlassbreite am Anfang ergibt sich aus dem Verlauf naeh Tabelle 10:-3 zu: hAnfang ~
O,OS)·h.
7. Ocr Verlauf der Randkurve wird nach untenstehenden Werten dargestellt.
Ta b. E· 3 Verlau f d er Rand kurve eines NACA-Einlasses i n Pa rameterdars tellunq [E14J. Lage der Para -
meterpaare (X,Y) siehe Bild E-8. Es sind die Kurven zweier Quellen angeführt.
Anfang
Einl ass-
quersch n itt
X,
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Y, RAS'I
0.083 0 ,158 0,236 0.312 0,388 0,466 0.614 0,766 0.916 0,996 1,0
C. Smith 2) 0,084 0 ,140 0,204 0,276 0,356 0,454 0.590 0,754 0,920 0,992 1,0
11nach Royal Aerona utreal Socety. 2) nach ceror Sm ith : [E10].
Die tatsächlichen Koordinaten (xly) für einen Punkt an der Stelle n folgen aus den gcw ähl-
tcn Wert en für die Länge I und die Breite h daraus zu:
h
xn' Yn Koordinaten des Punktes an der Stelle n [10m]
Xn=I·XnYn=2"'Yn
I
Lä nge de s NACA-Ei nlass es [10m]
h
Breite des NACA- Einlasses [10 m]
Schnitt A-A
/
Detail
Sc hnitt B-B
Bild E· 8
NACA Einlass Entw urfs d alen ,
n ach [E141.
a Rampenwinkel 5° bis 11°
I Gesamtlänge
b Bre ite
h Höhe
t Lip pend icke
X,Y Punkt der Ran dk urve.
Schnitt B-B zeigt , dass die Ecken
schartkantiq ausqeführt sind .
E Aerodynami k
Absc hließend ei nige Überleg ungen zum Entw urf von NACA-Einlässcn [EI4]:
Zu wenig Luft stellt für die zu versorgenden Baugruppen eher ein Problem dar als zu viel.
Die zugeführte Luft muss auch abgefü hrt werden. Die Auslassfläche sollte etwa doppelt
so groß sei n wie die Eintrittsfläche.
Leublech e oder ähnli ches stören ein en NACA-Einlass bis zur Funktion suntü chtigkcit.
Slche rhelt s-Cockple bei Monop osti. Die Erhöhung der Sicherheit ist eine Maßn ahm e, die
sich auf di e aer odynamischen Eigensch aften des Wagens nachteilig auswirkte, se it sie für
die Formel-I -Saison 1996 vorgeschrieben wurde, und zwa r wegen des erhöhten Luftwider-
stands des breiten , wuchtigen Mittelteils. Es beeint rächtigt den Heckabtrieb. weil de r hin-
tere Teil des Cockpits nicht meh r so sauber umströrnt wird. Abe r es handelt sich um einen
sehr kleinen Betrag.
Bild E-9
Lufta nsaugung und Sicherheits-
cockpit an einem Formell
(McLaren Mer cedes 2003).
Airbox. Eine Airbox ermöglicht eine gezielte Führung der Verbrennungsluft zu m Motor.
Gün stige Einlassst clien sind über dem Kopf des Fahre rs und über Kam ine, die beidscits
hinte r dem Cockpit angeordnet sind. Bei zweisitzigen Produktionssportwagen bietet sich
auch die Überrollstruktur hinter dem Beifah rer an. Theoretisch sind unter dem Strich die
Vorteile einer solchen Lösung gar nicht groß. Zum Einen erzeugt ein aufgesetzter Luftein-
lass Luftwider sta nd d urch Vergrößerung der Spa ntfläehe und Verwirbclung . Zum ande ren
ist de r Aufladeeffekt durch den Staudruck äußerst gering. Selbst bei 200 km /h beträgt der
Staudruck der Luft von 20 "C nur etwa 0,02 bar. Das führt zu einer Mehrleistu ng von grob
0.2 kWje Liter Hubrau m bei IOOOflmin -I
.
In der Praxis macht sich eine Airbox abe r doch bezahlt. So hatten etwa Fcrrari s und
Bcncnons Formel-I -Wagen in der Saison 1996 Probleme, ausre ichend Luft in die Airbox
über dem Kopfdes Fahre rs zu bekomm en. Dadurch verloren sie bei hohem Tempo die durch
de n Lu ft sta u produ zierte Mehrleist ung. Das lag vor a llem an der et was höhe ren Sitzpo sition
im Vergleich z u den Wage n von williams oder Jordan. Die Fcrrari- Fahrcr mussten desh alb
auf den schnellen Gera den den Kopf z ur Seite neigen, um den Einlass nicht zu verdecken
[EI 2].
1321
2 Luftwiderstand E
Bild E- 10
Airboxen an einem Le Mans
Fahrzeug (l ola),
Für den V-Motor sind zwei Ein-
lasssysteme symmetr isch zur
Fahrzugmitte lebene angeordnet
Die Sammel behälte r weisen am
Einlass einen Luftmengenbe-
qrenzer aut und sind strömu ngs -
günstig gestaltet. Unter der Airbo x
ist ein NACA-Einlass zu sehen,
Der Einlass sollte nicht un nötig groß gestaltet werden, weil di e Q uers pantfläche des Wagens
vergrößert wird. Für einen j -l -Motor ist eine Einlassfläche von etwa 50 bis WOcm2auch bei
höchsten Drehzahlen (ca. 17000 min-t ) ausreichend.
Besonders. wenn vom Reglement ein Luftmcngcnbcgrcnzcr (Airrestrictorv für die
Ansaugluft des Motors verlangt wird. kommt der Gestaltu ng des Lufteintrittbereichs große
Bedeutung zu. Am einfachsten ist. den Sammolbehälter strömungsgünstig zu gestalten und
ihn vom Motor entfernt in Fahrtrichtung anzuordnen. So tritt relativ kühle Luft in den
Behälter ein . Der Sem melbehälter selbst wird von der u mst r ömc ndc n Luft gekühlt. Bild
E- IO und L-97.
Rada uf hängung suspenston , Mit Tragflächenprofilen versehene Querlenker und Schub-
stangen tragen dazu bei, den Luftw iderstand zu reduzieren und die Luftströmung mit mög-
lichst geringer Beeinflussung zu Wärmetausehern und zum Heckflügel strömen zu lassen.
Bild E·11
Aerodynam isc h günst ig gestal·
tete Vorderrada ufhängung an
einem Formel 1
(McLa ren Merceoes 2003).
Die Spurstange liegt nicht nu r
auf gleicher Höhe w ie der obe re
Qu erlenker, sondern i st soga r in
dessen vorderem Arm integri er t.
Die Schubstrebe weist ebenfalls
ein Tragflächenp rofil auf.
E Aerodynami k
Räder wheels, Bei Fah rzeugen mit (rcglcm cntbcding tcn) freistehenden Rädern sind sie für
mehr als 30 % des Luftwiderstands verantwortlich. Als für 1993 in der Formel I schmalere
Reifen eingeführt und der Frontquerschnitt klein er wurde, verminderte sich der Luft wider-
stand von 40 auf etwa 33 % des Gesamtwid erstands. Doch de r Einfluss des Luftw iderstand s
insgesamt aufdie Fahrleistungen hat sich dadurch nicht wesentlich geä ndert [E12].
Eine breite Nasenfro nt kann zumindest den Einfluss der Vorderräder red uzieren. Beim
Tyrcll P34 (6 Rad Formel 1 Fahrzeug) wurde diese Idee umgesetzt. An den heutigen Formel-
Fah rzeugen ist der Luftstrorn zu den Seite nkästen jedoch wichtiger als eine Abschott ung de r
Vorderräder. Eine Verkleidung der Räder wird vom Reglementja verboten.
JSantander
Bild E-12
Luft führung im Vorderrad-
bereich eines Produ k tions-
sportwagens (Norma N20),
Zu sehen i st die linke vor-
de re Fahrzeugseite. Die in
das Radhaus eingetretene
Luft wird zum Teil für d ie
B remsenkühlung herange-
zogen und der ande re Teil
umst römt den Rumpf. In
weiterer Folge durchströmt
ein Teilstrom die wä rmetau-
scher , die hinter der Abde-
ckung am rechten Bildrand
untergebracht sind.
Bil d E-13
Paohausentlöttunq an der
Vorde rachse (Lola).
Bei umschlossenen Rädern
staut sich die Luft an der
ablaufenden Reitenseite
auf. Eine Entlüftung ermög-
licht einen Dr uckausgleich.
Die Lame llen leiten d ie Luft
aus dem Radha us über die
Außenhaut nach hinten.
134 1
2 Luftwiderstand
Bild E- 14
Verringerung des Luftwidersta ndes bei Mono -
poste mif freistehenden Rädern.
Wenn das Heck des Fahrzeugs flaschenhals-
l örmlg verjüngt wird, kann die vor dem bre iten
Hinterra d aufgesta ute Luft beidsei tig am Rad
vo rbei strömen, Die Stelle (1) bie tet sich für einen
Lufteinl ass a n. In diesem B e reich saugten die
Abgasturb olader der Formel-1 -Fahrzeuge de r
taeoer Jahre Frischluft an. Die Anordnung der
Bremse im Rad (Im Gegensatz zur Innenbord-
bremse) erleic htert dabe i die gewünschte Ge-
sta ltung. ebenso wie ein schlan kes Get riebe.
E
Bild E-15
Radha usun terteil eines
Produ ktionss port wagens
(Osella PA 20 S),
Abgebildet ist das rechte Hin -
terrad mit abgenommener M o-
tora bdeck ung, in welcher de r
O berteil des Radhauses unte rge -
b racht ist.
Die Gestaltu ng der Radaußense ite hat ebenfalls einen Einfluss auf die Umst römung der
Räder. So erhöht ein axialer Versatz zwischen äußere r Reifenk ontur und Radscheibe den
Luftwider s ta nd. Bild [-16. Je geri nger die St ufe zwischen den Flächen von Reife nfla nke
und Radscheibe. des to anliegender die Strömung und somit k leiner der c..... -Werl.
4
8
12
Ve rsatz Felgenf läche
vlroau
16
20
zu Re ifenwulst
24
( mm)
Bild E-16
Abhängigkeit des Luftwiderstan ds vom
Versatz Reifen zu Radfläche IE09].
Die Ergebn isse wurden an 16" bis lS-- Rä -
dem ermitte lt. Je g rößer der Versatz zwi-
schen der Feigenaußenf läche und der gei-
fenseitenwand. desto gr ößer der cw·We rt.
E Aerodynami k
Im Allgemeinen wird jedoch darauf geachtet. dass der Reifen das Felgenhorn überragt.
Kommt es nämlich zu .Fcindbcrührung'' durch ein Rad. ist der Kontakt mit dem elastischen
Reifen wesentlich harmloser als ein Schlag auf da s Fclgcnhorn. Dieses kann sich deform ie-
ren und die Luftjäh entweichen, wodurch dieser Reifen keine Kräfte mehr übertragen kann
und die Stabilität des Fahrzeugs gefä hrdet ist.
Ebenso hat die Gesta lt der Rada uße nfläche ei nen Einfluss aufVcrwirbcl ungcn bei m Vor-
beist reichen der Luft. Im Sin ne eines nied rigen Luftwidersta nds sind glatte , durchgehend e
Flächen günstiger, als au sgeprägte Speichen. Tatsächlich wird ein Kompromiss gefunden
werden müssen, da mit die Wärme von Bremsen- und Radlagern abgeführt werden kan n.
Weitere Tei le. Seite nwelle n. d ie direkt im Luftstrom rotiere n, wie das bei den meisten Ein-
sitzern der Fall ist, stören die Strömung auf vielfache Weise. Durch die Reibung an de r
Oberfläch e kommt es z u einem Auftriebseffekt und die Strömung z um Heck flügel wird
abgele nkt. Abh ilfem aßnah men werden in Kap itel M 5.2 gezeigt.
Freistehende Überrollbügel, wie sie z. B. bei offenen Sportprototy pen eingesetzt werden,
weisen als Rohr einen Kreisq uer schnitt auf. Durch ei ne Verkleidu ng ka nn die ser ei nem
wese ntlich günstigeren Tropfenquerschnitt angenähert werden , wobei der c",.-We rt auf etwa
ein Zehntel des Roh rwertes sinkt, Hild E-17.
Auch ein nach hinten hochgezogener Fahrzeugunterboden beeinflusst den Luftwider-
stand . Günstige Kombinationen von A nstiegswinkel. Boden freiheit und Länge des Anstiegs
könn en den Widersta nd des Fahrzeugs senken, näheres siehe ..Diffusor" in Abschnitt 3.
a
min, 2,8xd _
I
1~
._,_., 0 .
-/'
.
"
b
Bild E-17
St römungsgünstige Verkleidung
eines freistehen den Überrol lbü-
gels.
Durc h eine einfache Verkl eidu ng
wird d er Luft widersta nd des
rob rförrruqen Bügels g esenkt.
a unverkleid et
b ver kleid et
3 Abtrieb Downforce
Abtrieb stellt die ideale Lösung dar, wenn erhöhte
Umfangskraft und Seifenkraft an de n Rädern erzeugt
werden soll oh ne gleichzeitig die Masse de s Fah rzeugs
an zuheben. Nachteilig ist, dass die Wirk ung gcschwin-
digkeitsabhängig ist und dass - je naeh Wirkprin zip -
die Stellung des Fahrzeuges zur Fahrbah n maßgeblich
eingeht, was die Wirk ung für den Fahrer unberechen-
bar werden lassen kann .
3 Abtrieb E
Eine einfache Betra chtung eines Massepunktes in der Kur ve zeigt das Potential von Abtri eb.
Die maximale bezogene Querbeschleu nigung "v ist gleich dem verfügbaren Reibbeiwert
IIW,Y:
(/y ,ma x
-- = /IWY
g
.
JlVi ,Y
Reibwe rt in Querrichtung [- ]
a y.mn
max. Querbeschleunigung [m/s2]
Bei einem Reibwert yonpw.y ::= 1 folgt die maximal erzielbare Querbeschleunigung also zu
I g. Kommt eine Abtriebsk raft FL,z hinzu, erhöht sich die fahrbare Querbeschleunig ung.
Gy,m3X
FLZ
-- =/IW.Y+
g
//IV,l ' g
Abtriebskraft [N]
Ges amt masse des Fahrze ugs [kg]
Bild E-IR zeigt den errechneten Verlauf der Abtriebskrä fte unterschiedlicher Fahrzeuge
über de r Fahrgeschwindigkeit. Zu vergleichszwec ken sind die Stirn fläch en einheitlich mit
2 m2angenomme n.
20000 _····· __ ··········· ..·..·_~···_···· .. ······_····· _·· ..·T··
_
__
_
~.....
,··········
--·· ·1
:
;>
,
/.
Y'
-"
-
Forlltll · l . Wag en
co- 2,0
. ...
............. To~ ren..agen DTM Co- 1,0
.
_.- Ser1ensport..sgen Co- 0 ,0
•• ••••• Serienhhrzeog
co- · O,2
•.•. ..,
....•......•.• ,."
~/_..• ...L. .
,
.
...
~._._
.
/
.-
:::'15000
"
. .:'
+' 10000
~
e
~ 5000
D
•
.
-
~
0 +-- ",,::::;:;;;;;._ ._ ._ ._. _. _ ._ ._ ._ ._ ..
~
...-...........................•.......
.....
'"
· 5 00 0 +--~--i--~--i---~---i--~---T-_
o
50 100 150 200 250
Fahrgeschwi ndigkei t Vv
300 350
[km/h )
400
Bil d E·18 Errechneter Verlauf de r Abtr iebskraft über der Fahrgeschw indigkeit. nach [E08].
Stirnfläche für alle Fahrzeuge 2 mZ.
Serienfahrzeuge weisen keine abtr iebserzeugenden Elemente auf und . Jeicen" daher unter Auftrieb. Bei
Seriensportwagen wird darauf geachtet, dass zumindest k ein Auftrieb bei hohen Geschwindigkeiten
entsteht.
Bei 240 km/h erzeugt ein Formel- l-Fahrze ug tatsächlich rund 16 kN Abtrieb u nd wiegt
selbst mit Kraftstoff und Fahrer nur etwas über 600 kg. Der Abtrieb ist somit etwa das
2.7-fache des Gewichts. Damit könnte es buchstäblich an der Decke fah ren. wenn sich die
Straße plötzlich von unten nach oben verwinden würde!
Beim obigen Zahlenbeispiel mitpw.y = I erhöht sich dadurch die fahrbare Qu erbeschleu-
nigung auf1+2.7 = 3,7g.
E Aerodynami k
Bild E-19 Formell Fahrzeug von 1977: Lotus 78 [E06}.
Der Lotus 78 stellt das erste Flügelaulo (wing ceo da r.
1 Ölküh ler on cooler
2 Feuerlösch e r fire extinguishers
3 Wasserküh ler water rad iator
4 Kunststoff schürze plastic skiff
5 Seitenkast en side pod
Eines der erste n beka nnte n Bodcncffckt-Fahrzcugc war der Formel-I -Wagen Lotus 78. Ocr
Wagen wies be reits die wichtigsten Me rkmale auf, Bild E-19:
spitzer, kcilför migcr Bug (Nase),
möglichst sch lanke r Rumpf, da mit die Seiten kästen al s Flügel mög lichst breit werden ,
möglichst schmales Heck und vollständig verk leidete r Motor, damit der Luftstrorn fast
ungehindert unter dem Fahrzeug au streten kann.
Die Flügclautos waren folgende rma ße n aufgeba ut, Bild E-20 : Die Seiten käste n ( I) bcid scits
des Rumpfes sind wie Tragflächen eines Flugz e uges aufgebaut, allerdings mit einem a uf den
Kopf gestellten Profil, damit die Flügel ei ne Luftkraft erze uge n, die na ch unte n wei st. Diese
Flügel si nd verhältnis mä ßig kurz und deshalb sind a n ihrem Ende Seitenplatten angebracht.
Das hindert eine n Teil des Luftstroms von der Umgebung in das Unte rdruckgebiet zwischen
Seitenkasten und Fahrbahn einz uströmen . Zur Verstärkung dieser Barrierewirku ng kom-
men an der Unterkante der Seitenplatte n Dichtleisten zum Einsatz , die auf der Fahrbahn
gleiten (Schürzen). Durch die Nähe der Flügel zur Fahrbahn wird deren Abtriebseffekt noch
verstärkt ( Bodcncffckt).
Nachfolgend werden ei nige Elemente zur Erzeugu ng bzw. Unte rstütz ung von Abtrieb
beschrieben.
Schü rzen sklrts. Schürze n dichteten den seitlichen Bereich nebe n den flügelartigen Sei-
tenkästen der Formel-I-Flügelautos z ur Fah rbahn hin ab. Sie mussten also beweglich sei n
3 Abtrieb E
,
-
0-
Bild E-2 0 Prinzip eines Flügelautos (ground ettea cen [EG6]
1 Seitenkästen siele pods
2 Schürze skif t
3 Profil Flüqelu nte rseite und erw ing profile
um die Fahrzeugbeweg ungen und die Bodenunebenheite n ausz ugleichen und dennoch
ste if genug um d ie Dr uckdi fferenz zw ischen Umgebu ng und Fahrze ug unterseite aufrec ht
zu halten. Sie waren nicht unproblematisch, weil der Versch leiß durch Abrieb zu u n VOT-
herachbaren Änderu ngen im Fahrverhalten führte . Entsp rechend groß war de r Entwick-
lu ngsaufwa nd, der in die Verbesse r ung dieser Dichtsysteme gesteck t w urde. Bei ei nige n
Teams waren Mechanike r nur für d ie Aufgabe abgest ellt, die Funktion der Schürze n durc h
inte nsive Wartu ng a ufrech t zu e rhalten [ E06]. Die Entw ick lung de r Schürzen bee influsste
natu rgem ä ß die Gestalt ung de r Radau fhäng ung . So wurden bald Fahrwerke eingesetzt, m it
denen der Bodenabstand währe nd der Fahrt vari iert werden konnte. Bild 1-: -21 zeigt eine
Lösung bei der steife Schür zen in einer Führung senk recht auf und ab gleiten können und
über Federn aufdie Fahrbahn gedrückt werden.
Bild E-21 Schürze an einem For mel-l -Fahrzeug {Renau lt RE2Dj [ED6l.
Die abge bildete Schürze ist am linken Seitenkasten angebracht und gleitet in den Führungen auf und ab.
E Aerodynami k
Bild E-22
Schnitt du rch eine Sch ürze rechte Fah rzeugse ite, gemäß
F I,S.A. 1982. nach [ED6).
1 fle xib les M ater ial rumpfseit ig befes tig t flexible material
attached to body sae
2 am Boden gleitende Leiste ground rubb ing strip
Nach zahlreichen Unfällen wu rde die Gestaltung de r Schürzen reglementiert, Bild [-22 ,
und schließlich wur den sie völlig verboten.
Flügel wings. Ein Flügel ist ein aerodynamischer Körper der an Flugze ugen Auft rieb
erzeugt. Im Motorsport wird ein Flügel auf de n Kopf gestellt verbaut und erzeugt so eine
nach unten gerichtete Kraft. die als Abtri eb bezeichnet wird. Natürlich Wird dieser Abtrieb
mit einem gew issen Luftwiderstand erkau ft. Wichtige Kenngrößen von Flügel n sind in lJild
[ -23 dargestellt.
I
Vor derkan te
WOlbun gs linle
Hlnterkante
B ild E-23
Beg riffe un d G rößen eines Flügels
aerofoil, AE alrfol /:
c Sehnenlänge crora lengrh
s Spannweite span
a Anstellwinke l angle of arrec e
f Wö lbung camber
t Profildi cke ma ximum thickness
VL Anströmgeschwindigkeit de r Luf t
air·f!ow veccry
Vo rderkante leading edge
Hinterkante tra/fing edge
Länge/Breile -Verhä ltn is asoecr rstio
3 Abtrieb
Charakteristische Maße sind die Sehnenlänge c und die Spannweite s. Weiters ist das daraus
gebildete Seite nverhältnis . t bedeutend.
E
,2
A=--
AF111gcl
s
A f liigd
Se itenve rhältnis [- ]
Spa nnwe ite [m]
Grundr issfläche de s Flügels [m2l
Im Motorsport werden überwiegend Rechteckflügel eingesetzt. Für diese vereinfacht sich
das Seitenverhält nis z u:
/\R~~hll'Ck Seitenverhältnis für Rechreckflügel l-l
s
Spa nnwe ite [m]
c
Sehnen länge [m]
Damit ein Flügel Abtrieb erzeugt, muss die Summe der aerodynamischen Druckkräfte an
seiner Oberseite größer als an der Unterseite sein. Dafür bieten sich mehrere Maßnahmen
an:
ein symmetrisches Profil wird gege n den Luftstro m um einen A nstellwinkel angestellt.
das Profil wird gewölbt, also asy mmetrisch ausgebildet,
bcidc Maßnahmen werden gleichze itig eingesetzt.
Bild E·24
Ar ten von Flügelp rofilen aerofoil cross sections .
a symmetr isches Profil symm etrie aerofoil secuon
b gewö lbtes Profil asymme rric camber
c symmetr isches Profil m it Wölbungs klappe
svnvretrtc aerofoil with flap
Bild E-25a zeigt schematisch wie sich der stausehe Druck beim Umströmen eines Profils
ändert. Die Luft strömt mit der Geschwindigkeit I'L aufdas Profil zu. An de r Vorderkante
steigt der Druck durch den Staudruck an. An der Unterseite des Profils sinkt der Druck
zunächst ab und steigt dann zur Hinterkante wiede r an. Das Druck niveau an der Hinterkan-
te liegt unter dem an der vorderkante. so dass sich eine Druckdifferenz in Längsrichtung
erg ibt. Der Flügel erzeugt som it einen Widersta nd gegen die Luftströmung. An der Obersei-
te fallt der Druck stetig auf d;IS Niveau an der Hinterkante ab. Auf das gesa mte Profil wirkt
so eine resultierende Druckdifferenz nach unten.
Der Anstellwinkel (Anströ mwinkel) beeinfl usst das Auftrieb sverhalten ei nes Flügel s
sta rk, Bild E-25b. Er ist der Winkel zw ischen der Gesc hwindigkeit der Luftströmung und
der Flügelsehne. Dabei gilt es zu beachten, dass die Richtung der anströmcndcn Luft bei
einem Fahrzeug nicht mit der Richtung der Fahrbah n gleichz usetze n ist. Besonders bei
Heckflügeln wird das fast kaum der Fan sein. Der Auftrieb nimmt annähernd linea r mit
dem Anstel1winkel zu, bis die Strö mung an der Unterseite des Profils ablöst.
Der Abtrieb errech net sich aus dem Abtr iebsbeiwert (downforce coefficientv zu:
Pl.vt.
FL,Z <c« ' -2
-'s'c
Abtri ebsk raft [N]
Abtri ebsbei wert [- ]
Lu ftd ichte [kg/m']
Vl Luftgesc hwi ndig keit [m/s]
s Spannweite [m]
c Sehnenlänge [m]
E Aerodynamik
,
"•0,
"0
0
o.
xlcI-J
"
"•
~
..... .-
.
/
~//
~ ./"0Y Jllllet r1 sCh
/
Anstellwi nkel "
b
Bild E·25
Druckve rlaul an de r Flügeloberfläche und Ab trieb .
Po Umge b ungsdruck
a Über dem größten Bereich der Un terseite des Flügels herrscht Unterd ruck. Im Gegensatz d azu ü be r-
wieg t an der Oberseite Überdruck. Die resu ltierende Kraft we ist nach unten.
b Ein ge wö lbtes Profil erzeugt be i gleichem Ans tell w inkel mehr Ab trieb.
Bei de r Flügelgestaltung steht die Betrachtung des Verhältnisses Abtrieb zu Widersta nd
im Vorderg rund. Daneb en werde n noch Ablöseverhalte n. nutzb are r Bereich. Gesc hwind ig-
keitsbereich sowie Turbulenzg rad der Anströmung untersucht. Anders als in der Luftfahrt
sind Kriterien wie resultierendes Moment von untergeordneter Bedeutu ng, weshalb Flügel-
profile im Motorsport and ers gesta ltet sind als im Flugze ugbau [EOS ]. Die im Renn sport
eingesetzten Flügel werden etwa ab SOkm /h spürbar wirksam [E06].
Folgende Parameter können als Richtwert für einen einteiligen Flügel für Rennfahrzeuge
herangezogen werde n [E07]:
Seitenverhältnis I\ R<-'Chll'\: k ~ 5 bis S [EOS].
kleiner Anstellwinkel für geringen Widerstand und Abtrieb. max. Anstellwinkel von ca.
14° bis 16°.
ger inge Profildicke flir geringen Widerstand und Abtrieb. Dicke bis 0.12 c für stärkeren
Abtr ieb. In nied rigen Geschwindig keitsbereichen ist di e Dicke nicht so wichtig.
leichte Wölbung an der Stelle 0.3 c für geringen Abtrieb und stärkere weiter hinten lie-
gende Wölbung von 0.05 c bis 0,15 c an der Stelle 0,5 c ode r 0.6 c für mehr Abtrieb.
Radius der Vorderkante etwa 0,01 c bis 0,03 c.
Über all diese n Richtwert en steht allerdings da s Rcgclcmcnt. so dass keine allgem ein
anwendbaren Gestaltungsrichtlinien sinnvoll sind. Mit zunehmender Flügelbreite nimmt
zw a r der Abtrieb z u. im Allgemeinen wird all erdi ngs die Spannweite vom Regelwerk auf
die Fahrzeugbreite beg renzt . Je weiter ein Flügel von ande ren Fahrzeugteilen entfernt ist,
desto weniger Interferenzen stören seine gewünschte Umströmung und damit seine Wirk-
samkeit. Gcnau deshalb wird auch der Raum, in dem ein Flügel angebracht werden muss ,
von den Reglements in Bezug auf das Fahrze ug vorgeschrieben. Ähnliches gilt für den
Bod enabst and eines Frontflügels.
o
-- -1
----
T ----- ,
----
r----r
-- --
1----I
---
I
20
40
60
80
100
3 Ab trieb
Bild E-26
Flüge lprofil NACA 4415 [E07).
Einfa cher, einteil iger Flüg el.
Die Sehnenlänge und d ie Höhe n sind in Pro-
zent aufgetragen. Damit ist das Profil allgemein
b eschri eben.
E
J1J61" -,
r-: -:
,
r-
,
t 1,4
; 1,2
~
•o
•.g0,8
t 0,6
~ 0 ,4 +--~~-~-~-~~,-~_
~02468101214
Anstellwinkel a [ 0 J
Bild E· 27
Autt nebs eiqensch atten eines einteiligen Flügels.
Profil NACA 4 415 [ED?].
Der Auftrieb ist bei 00 Anstellwinkel gering und er-
reicht bei 120 (Ablöse wi nkel) ein Ma ximum v on
CA- 1,42. Diese Ang ab en gellen für einen unend-
lich lange n Flügel.
Die Wölbung eines Flügels und da mit sein Abtrieb kan n durch mehrteilige Ausführu ng
er höht werden. Bild ":'2N . Einem Flügel wird dabe i eine Klappe nachgesetzt (Spaltflügel).
Durch Verstelle n der Klappe kan n die Wölbung va r iiert werde n. Dies erfolgt allerdi ngs vor
dem Ren nen , weil wäh renddessen Ae rody na mikele mente nicht beweg lich sein dürfe n.
Bild E-28
Schema eines zweiteiligen Flügels IEO?].
1 Flügel wing
2 Klappe f1ap
Ein me hrt eiliger Flügel wirkt äh nlich w ie ein ein-
teiliger mit größerer Wölbung. erz eugt also m ehr
Abtrieb. Durch die Beweglichkeit der Klappe{n} er-
geben sich einfac here Einsteümö qlichkeiten.
End platten end plat es. Die seitlich angesetzte n se nkrec hten Fläche n helfe n den Luftstrom
über den Flügel zu kanalisieren. Sie verhindern, dass Luft seitlich über die Flügelenden
st römt. was so nst wegen des Dru c ku nter schied s zwische n Obe r- und Unterseite zwa ngs-
läufig gesc hieht. An den Front tlügeln ve rbesse rn sie sogar die Ström ung am Fahrzeugheck.
inde m sie helfen die Strö mung um die Vorderräder in Richtu ng Unte rbode n und weiter zu m
Diffusor z u leiten .
Die Endplatte n wirken vor alle m da . wo die größten Druckunte rschiede her rschen, also
in der Nähe der Flügelhi nterk ante und auf der Unters eite . Deshalb wird eine effiz iente End-
platte nach unten weiter überstehen als nach obe n (min. 3 t, t Profildicke) und diese r Über-
stand wird nach hinten hin zunehmen.
Hersrelt ung fobrication. Flügel werden auf versc hiede ne Ar te n hergestellt. Auch wenn
sie große Abtr iebsk räfte e rze ugen. ist di e spezifische Bea ns pruc hung relat iv ge ring (ca .
0,55 N/cm2 [ElO]), so dass sich viele Leichtbaumethoden anbieten. Eine Art ist, sie aus
E Aerodynami k
a
Bild E-29
Wirkung von Endflächen an
Flüge ln.
a Flüge l ohne Endflächen
b Flügel m it Endflächen
Im Fall a) strömt die Luf t von der
Überdr uckse ite o ben zur Unter-
d ruckseite unten. Im Fall b) wird
d ies du rch d ie End/lachen ver-
hindert. Die Endüäcnen erhöhen
den Abtrieb um bis zu 30 %.
dünnen Blechen (z. B. 0,5 mrn Alumini um) zu formen, die aufSpanten geklebt und genie-
tct werde n. Eine andere Art nutzt die Möglichk eiten , die faser verstärkte Kunststoffe (GF K,
CFK) bieten . Wichtig ist vor allem eine glatte Oberfläche, besonders am ersten ang cst römtcn
Drittel des Flügels. Öffnungen , Nietköpfe. Blechstöße ctc. lassen die Strömu ng ablösen und
die in St römun gs richtu ng nachfolge nde n Flügelber eiche u nw irksam werde n, vgl. auc h Bild
E-32.
Ein prin zipieller Aufbau besteht aus Que rspa nten (2), die mit Holmen (I) verbunden wer-
den, Bild E-30 . Die Spanten geben das gewünschte Flügelprofil vor und die Holme sorgen
für die erforde rliche Biegesteifigk eit des Flügels. Über die Spanten wird die Decklage (4)
gelegt und mit diesen verklebt und/oder vern ietet. Wird dies mit Blech gemacht und ein End-
falz gebraucht, so soll d iese r wie gezeigt die Strömung an der Oberseite stören , also wie eine
Gumcylcistc wirken. Der Stutzen (3) für die Befestigung des Flügels ist im Druckpunkt des
Profils angebracht. Durch den Stutzen w ird ein Rohr geste ckt, da s die Verbindu ng zum Fahr-
s
a
a
0 '00 -,U
Bild E- 30 Aufba u eines Flügels.
Der Flügel wird an d er Fahrzeugfront oeioserts der Nase angebracht.
a A xonometnsche Ans icht (teilweise geschnitten}
b Querschnitt du rch den Flügel
1 Holm c ro ss beam , 2 Spant ri b , 3 Befesligungsslutzen mounting bracket, 4 Decklage skin,
S Verstelllasche adjustment plate
1441
3 Abtrieb
zeug herstellt und die Flügclkräftc überträgt. Zum v erändern des Anstellwinkels kann der
Flügel um die Rohrachse gedreht werden. Die Fixierung erfolgt mit einer Lasche (5), die am
Ende ein gek rümmtes Langloch oder ein zeln e Bohru ngen für die Verschraubung aufweist.
Die Spanten bestehen aus Holz oder schalcnförmig umgeformtes Alumi nium-Blech mit
0,7 bis 0,9 mm Dicke. Die Holme können aus Stahlblech mit 0,9 bis 1,2 mm Dicke abgeka n-
tet werden. Die Deckluge wird von Blechen von 0,7 bis 1,2 mm Stärke gebildet. Wird die
Außenhaut aus einem Stück auf den Flügelunterbau gewickelt, so entsteht eine Oberfläche
ohne Stöße in Strömungsrichtung. Wenn ein Falz benötigt, so soll Cl'an der Hinterka nte des
Flügels und oben liegen, Bild E-30 .
Hefestigu ng mounting. Flügel müssen am Fahrzeug befestigt werd en. Ideal wäre eine direkte
Verbindung mit dem Radt räger. damitder Abtrieb nur aufdie Rüder wirkt und nicht auch auf
die gefederte Masse des Fahrzeugs. Diese Befestigung ist jedoch in sämtlichen Reglements
verboten, weil das eine bewegliche Abtriebshilfe da rstellt. Zunächst ist eine Betrachtung der
am Flügel wirkenden aerodyn ami schen Kräft e hilfreich, die die Flügelbefestigung aufnch-
mcn muss. Bild E-31. Da rüber hinaus darf allerdings nicht vergesse n werden, was für Kräfte
auf den Flügel wirken, wenn das Fahrzeug einen Dreher bei hohen Geschwindigkeiten hat.
c
E
Bild E- 31
Aerodynam ische Kräfte am Flügel ,
Sämt liche Kr äfte können im Dru ckpun kt wir kend
zusa mmeng efasst werden . Der Druc kpunk t liegt
etw a im ersten Drittel d er Flügelsehne.
FLZ
Abtrieb
FL.X Luf twid erstand
FLr~ resultierend e Gesamtkra ft
Die Kraftgrößen des Flügels werden auf seine Grundfläche bezogen . Der Luftw ide rstand
des Flügels errechnet sich bei bekanntem Widerstandsbeiwert somit zu:
PL Vf.
= CW'-- ' S'C
2.
FL,x
Cw
PL
Abtr iebsk raft [N]
vL
Widerstandsbeiwert l-l s
Luftd ichte [kg/rn-']
C
Luftgesc hwindigkeit [m/s]
Spannweite [m]
Seh nenlänge [m]
Sämtliche aerod yna misch en Kräft e könn en im Dru ckpunk t (ce ntre (~rp ressure v wi rkend
gedacht werden. ohne da ss ein Moment auf den Flügel wirksam ist. Die Befestigu ng des
Flügels sollte daher in seiner Nähe wirken. Die Verbindung zum Fahrzeug soll selbst mög-
lichst strömungsg ünstig sei n und die Wirk ung des Flügels möglichst we nig beei nflussen. Im
Grunde bieten sich so zwei Möglichkeiten an. Die Befestigung erfolgt mit einer Säule in der
Mille des Flügels oder außen mittels der beiden Endplatten.
Hild E-32a zeigt schematisch die Wirkung einer Störung der Strömung du rch eine Bcfc-
stigungssä ule. An der Säule löst die Strömung ab und es bildet sich hinter der Säule ei n
wesentlich breiterer Bereich aus, in dem die Flügeloberfläche von der Strömung nicht erfasst
wird, also nicht wirksam ist. Ähnlich wirken Öffnungen in der Flügclobcrflächc, die die
Strömung ebenfalls ablösen lassen. Bild b zeigt ei ne strömungsg ünstige Ges taltung zweier
Tragelement e ei nes Frontflügels. Zur Gewichtserleichtcr ung sind die beiden Säulen hohl
ausgeführt.
11 1111 111 I
E Aerodyna mik
I11I\\ I!III1
Bild E-32
Strömung sbeeinf lussung durch
Elemente z ur Flügelbefesligung.
a Strömungsablösung an einer
Säu le ein es Heckflügeis
b strömungsgünstiger Quer-
schnitt von zwei H altern eines
Fron tf lügels
a
b
Ocr A nstellwin kel soll für die Fahrzeugabst im mung ve rstel lba r sein. Ocr Drehpunk t von
Heckflügeln ist dabei vorzugswe ise an der Hinte rkante des Flügels. So kann er bei m Ver-
stelle n nie die vom Regle me nt erl aubte Maxi malhöhe überschreiten.
Die Befestigung muss nebe n den aerodynamischen Kräften natürlich auch den Trägheits-
kräften, bedingt durch die Flügelmasse. standhalten können. Als Faustregel kann he range -
zogen werden. dass der Flügel und seine Befestigung aus reichend di mensioniert sind, wenn
das Fahrzeug an der äußeren Flügelkante von Hand geschobe n werden kann.
Frontflügel front wing. Er spielt eine wichtige Rolle. Am Ende de r langen Gerade n in
Esto ril beträ gt der Abtr ieb eine s For mcl-l -F ront flügcls beispielsweise 5500 N (EI2 }. Der
Frontflügel erze ugt u ngefähr ei n Viertel des gesa mte n Abtriebs .
Durch de n Bodeneffekt bei Frontflügeln (siehe aueh Bild E~57) erhöht sich die Nickcmp-
findliehkeif eines Fahrzeugs.
Bild E· 33
Zweiteiliger Frontflügel mit
End/lachen an einem For-
mell (McLaren Mer c edes
2003).
Der Flügel erzeugt nicht
nur Abt rieb. sondern ka-
nalisiert auch den Luft -
strom in den Bereich zwi-
schen den v oroerräoem.
Heckflügel rear wing. Seit der Diffusor durch einige Reglements sta rk verkürzt wurde
(meist darf er erst ab der Vorderkante der Hinterräder beginnen), produziert der Heckflügel
etwa 30 % des Abtriebs. Bei einem Formel-l -Heckflügel sind das immerhin etwa 9.8 kN
Abtriebskraft auf der langen Geraden in Estoril (EI2].
'"
3 Abtrieb E
Bere i ch für
abat ützun
Klapp~L
115
1150
o
•
Bereich
,fi/r
\~lJrneL
o
•
•
Bild E·34
Reg lemen tvorgaben fü r d en Heckflüge l
de r OlM 2003.
1 Endplatte
2 Klappe
3 Haupttluqel
4 Unterflügel
Die Abmessungen der Endplatten und
die Bauraume einzelnerFlügelelemente
sind vorgeschrieben.
I75
I
Bereich Unterfli.,nelnc~1tion /
,
•
Bild E· 35
Mehrt eiliger H eckflügel eines
Forme1-1-Wag ens mit flachen
Endplatten (Ferrari).
Der Flügel ist mit dem un-
ters ten Element am Heckaut-
pr aneteme nt, das wiede rum
am Ende d es Ge trie begehäu-
ses b efest igt ist. a n gebracht.
Der Anstellwinkel der Flüge l
und K lap p en ist über mehrere
Bo hrungen in den Endplatten
verstellbar.
E Aerodyna mik
Bild E·36
Mehr te iliger Heckflügel an einem Pro -
d uklionssportwagen (Osella PA 20 S).
Der ges amte Hec k/lügel ist über das
untere Flüge lelement mit zwe i Platten
am Get riebeende üb er srap end befe-
stigt. So wirkt die Abtriebskratt über
einen Hebel a uf die H interachse. D ie
beiden Platten stellen auch d ie Ab -
sch leppösen bereit.
Gumeylerste Gumeyflup , AE: wicker. Die Gurncylcistc oder kurz ••Gu rncy" ist eine sch-
male Leiste. d ie an der Hinterkante eines Flügels rechtwi nklig zu seiner Obe rseite (also quer
z ur Strömungsrichtung) angebracht wird, Bild E-37. Die Höhe quer z ur Anströ mungsrich-
lung beträgt maximal ]()bis 15 mrn. Übliche Ausführungen finden sich im Bereich 3 bis
10 mm . Sie verstä rkt den Abtr ieb des Flügels, erhöht jedoch auch dessen Luftwide rsta nd.
Da sie leicht zu montieren bzw. zu entfernen ist. ist sie wichtiger Bestandteil de r Feinab-
stimm ung.
Bild [ ·38 ze igt den ge messenen Einfluss einer Gurneyleiste im Vergleich z um ursprüng-
lichen Flügclpro fil.
2.8
'7'2,6
<f2,4
-
; 2,2
'n: 2,0
o
•
'al 1,8
.
.
~ 1,6
~ 1.4
1.2
Bild E·37
Prinz ip de r G urneyleiste. n ach [E0 7].
D ie Strömung w ird an der H interkante na ch oben a bgelenkt.
Hin ter der Lippe bilden sich zwei gegenläufige Wirbel. Dadurch
erhält d ie Strömung eine zusätzliche ve rtikale Komp o nente.
Die lenk t sie nach oben ab und vers tärkt den Abtrieb ,
,
.,
Bild E-3B
Einfluss e ines Gu rneys auf den Abtrieb, nach [EDS].
Im Ve rg leich zum Orig inalp rofil ohne G urney hebt
die Gurneykla pp e den Abtrieb dieses Flü g els de u t -
lich an ,
-10
-5
°
5
Anstellwinkel a [ -]
148 1
3 Abtrieb
Gurneys heben erwartungsgemäß nicht nur den Abtr ieb an, sie vergrößern gleichzeitig auch
den Luftw iderstand. Eine interess ante Gestaltungsvariante zur Verkleinerung des erforder-
lichen Kompromisses ist in Bild [-39 zu sehen.
Trotz der Vergrößeru ng des Luftwiderstands des Flügels, was mit einer Verschlechterung
der Effizienz dieses Teils einhergeht, sind Gurneys für die Abstimmung des Gesamtfahr-
zeugs attr aktiv. Besonders, wenn vom Reglement bestimmte Flügelprofile vorgeschrieben
sind oder der Bauraum für Flügel eingeschränkt wird, können Gurneys einen positiven
Einfluss zeigen.
Bild E-39
Gezackte Gumeylelste .
Diese Ausführung stellt einen Komprom iss aus
Luftw iderstand und Abtr ieb dar. Die Zacken wir ken
w ie eine hohe, durchgehende Leiste beim Abt rieb,
erzeugen jedoch nur den Luftw iderstand einer halb
so hohen durchgehe nden Ausführung.
E
Bil d E-40
Gumey an einem Front-
flügel (Ferrari Formell).
Im Bild ist de r linke Teil
des Frontflügels vor dem
Vorderrad zu sehen. Die
Gumeyleiste ist auf den
äußeren Teil des abge-
setzt geformten Frontflü-
gels geschra ubt.
Nase nose. Das ist die ganze, sieh nach vorn verjüngende Vorderpartie des Wagens. Hoch-
gezoge ne Nasen waren bei Formel-I -Fahr zeugen Ende der 1990er Jahre ei ne konsequente
Entwickl ung, weil sie helfen , den Fro nt flügel relat iv isoliert um s rr ömcn zu lassen, und die
Luftströmung nach dem Flügel wirksam nach hinten zu m Unterboden und zum Diffusor
zu leiten.
Wie immer hängt die Wirkung des Bugs nicht allein von diesem ab, sondern vom Zusam-
menspiel mit den übrigen Teilen. Allgemein ist jedoch die relative Lage der Bugspitze zur
Fahrbahn und zum restlichen Wagenkör per von Bedeutung, Bild E-·U . Eine hoch liegende
Bugspitze (a) erzeugt sogar Auftr ieb. d urch den dadu rch hoch liegenden Staupunkt. Eine
sich verjüngende Nase (b) senkt den Luftwiderstand. Wird die Spitze des Bugs weiter abge-
senkt (c), erhöht sich der Widerstand und es resu ltiert soga r Abtr ieb an der Vorderachse.
E Aerodynami k
Bild E-41
Einfluss de r Nasenf arm auf W iderst and und A uf-
trieb an de r Vorde rachse, nach [ED8).
a hoch liegende Nase
b m itt lere Lage der Bugspitze
c abgesenkte Nase mit keilförmigen Bug
c•.•'" -0 ,022
c•.•'" 0,094
-.~
c =:~er0,224
a ~§Q c.= 0,240
c,.•= -0,198
b=
=
Qce 0,223
Heck tall end . Ähnlich wie die Nase bee influsst auch das Heck das aero dynami sche Verhal-
ten, allerdings in noch stärkerer Form. Idcal für einen geringen Luft widerstand sind lange ,
schla nke Heckformen (Tropfenfor men), dene n in der Praxis durch da s Reglement (Heck-
aufpra ll, hintere r Über hang) u nd weite re Kriterien (Stab il itä t , Seitenwinde mpfindl ichkeit )
Gren zen geset zt sind.
CA.,= - 0, 03 7 Bild E-42
Einfluss der Heckfo rm auf Widersta nd und Auftr ieb
an der H interachse, nach (E08].
a Abr issheck
cA,,= - 0 ,056 b mittlere Bauform
c langes, trop tenförm iges Heck
Front spoil er fro nt spoiler. Ein Spoiler setzt die Oberfläche eines Fah rzeugs fort, oh ne das s
eine Unterbrechu ng zwischen de r Karosser ie und dieser Vorricht ung besteht. Ist die Ober-
fläche zwischen Außenha ut und Spoiler unterbrochen, kan n man unter Umständen schon
von einem Flügel sprechen [E07].
Frontspoiler (Schürzen) verringern die Unterströmung (Airdamspoilcr) des Wagenbo-
dens und sorgen so für eine Druckdiffe renz zwischen Wagenobcr- und -untcrscitc. die den
Abt rieb erhöht, Bild E- 43.
--
.. 1t ~eckspoiler
_____
ohne ~eckspoiler
Bild E-43
Airoam-Frontspoüer und
Heckspouer, nach [ED?].
Der Frontspoile r verringe rt
die un ter dem Wagen durch-
strömen de l uftmasse. Das
red uziert bei zerklüfteten
Unterböden den Luftwider-
stand (trotz Vergrößerung
der Spent ftäche) und der
Druck unte r dem Wagen
sinkt. Der H eckspo iler ver-
langsamt die Ström ung und
der Druck erhöht sich.
3 Abtrieb
Heck speiler rear spoüer. Der Heckspoiler stört (Name von engl. 10 spoil '" verderben) die
Umströrnung des Wage nhccks und lässt die Strömung frü her ablösen. Er reduziert so de n
Auftrieb an der Hinterac hse. Bild E-43. Ocr Spoiler muss im laminaren Bereich der Strö-
mung angebracht sein. sonst wirkt er nicht.
Ein Heckspoile r erhöht auch die Wirkung eines Heckflügels. Wird ein Heckspoiler vor
einem Flügel angebracht erhöht sich der Abtrieb und damit allerdings auch de r Luftwider-
stand dieses Flügels.
Tauchplatte Jive plate. Solche verstellbaren Platten (in der na mensgebenden Art eines
Tiefenr uders an U-Booten) am Wagenbug erzeugen schräg gestellt einen gewisse n Abtrieb,
der zur Feineinstellung herangezogen werden kann.
E
Bild E·44
Tauchplat te am
Bug eines
Tourenwagens.
Unterboden undertray . Der abnehmbare Unterboden leistet einen extrem wichtigen Bei-
trag z um Abtrieb, zurnal er das bei relativ geringen Verlusten ermöglicht. Bei vielen Regle-
ments ist mittlerweile wegen Hochgeschwindigkeitsunfällen ein durchgehender Unterboden
vorgeschrieben. der nur in bestimmten Bereichen - meist in Bezug auf die Räder festgelegt
-
davon abweichen da rf, Bild E-45. Für den Abtrieb wird somit der Bereich in der Nähe der
Hinter räder interessant und zwar ab da. wo der Boden abgeknickt werden darf. Bei Sport-
prototypen und Tourenwagen rückt zusätzlich der Fahrzeugbug in die Mitte der Konzeplü-
bcrlcg ungcn. weil auch da Möglichkeiten eines Diffusors gegeben sind.
o
a
Bil d E·45
Sch ema eines Fahr zeuges m it
flach em Unterbod en.
1 flache r Abschnitt des Unter-
bo dens
2 Diffuso rbereich
E Aerodynami k
Bild E-4 6
Unte rboden an einem Formel-Wa-
gen (Ansicht von oben und Spiegel -
b ild unten).
Der Boden ist reglementbedi ngt
ab gest uft und ver läuft bis zu den
Hin terrädern flach . Zur Orie ntie r un g
ist das linke Hinter rad ebenfa lls
da rgeste llt. Der tiefste Be reich in
der Mitte des Bodens b ild et vorne
e inen Splitter (1) und en thä lt das
Bodenbrett (2). das nach dem Ren -
nen e inen bestimm te n Abrie bwe rt
ruch t überschreiten darf. Im Bereich
des Getriebes (3) läuft der Boden
s ch iffsrumpfart ig sp it z zusammen.
Anschließend ist noch ein separater
Diffus or (4) angebracht.
Bei Formel-I- Fahrze ugen muss der Unterbode n zu sätzlich noch 50 rnm abgest uft sein, cr
darf also auch im gru ndsätzlich flachen Bereich zw ischen den Rädern keine durch gehende
ebene Fläche darstellen, Bild E-46.
Ein Diffusor im Fahrzeugheck und ein nach hinten leicht ansteigender Unterboden
beschleunigen die Luftströmung im Bug- sowie im Bodenbereich und sorgen bei richtiger
Auslegung für Abtrieb und (l) ger ingeren Luftwiderstand.
Ditfuser diffus er. Bei einem Diffusor nimmt im Gegensatz zu einer Düse der Strömungs-
querschnitt über der Länge zu. Dadurch nimmt die Strömungsgeschwindigkeit beim Durch-
strö men des Diffusors ab und wegen der Energieerhaltung der statische Druck zu.
Bei Fah rzeugen kommen Diffusoren bei Lufteinlässen und im Unterbodenbereich zum
Einsatz . Im Unte rbodenbereich werden dabei die Wirkflächen des Diffusors vom Fahr-
zeug und von der Fahrbahn gebildet, Bild E-47. Ein solcher Diffusor wirkt sich auf die
Druckverteilung unter dem gesamten (!) Wagenboden aus. Der statische Druck im Bereich
des Bodens sinkt ab und damit entsteht dank der Bodenfläche und der Druckdifferenz zur
Wagenober seite Abt r ieb.
lt
l
~,
c-;
Fahrzeug
"
'.,/
-=:>
-~
~
7
/
---
--
-,
~
=~
a
Bild E-4 7 Prinzip eines Heckd iffusors.
a Schrägriss einfa ch es Fahrzeugmodell
vL Luftge schw ind igkeit
Lt • Bt• H Fahrzeugabmessungen
b
b Schn itt m it Maßen
1 asymme trisches Ström ungsprofil
hd Diffuso rhöhe
3 Abtrieb
Ein Unterboden-Diffusor ist asym metrisch. Ocr sich erweiternde Teil des Kanals wird vom
Fahrzeugboden gebildet und die Gege nfläche stellt die Fahrbah n dar, d ie sich zusätzlich
relativ z um Fahrze ug bewegt. Ein für die Auslegung maßgebend es Verhä ltnis ist das Flä-
chenverhältnis k"," Es bestimmt das Geschwi ndigkeitsverhältnis und damit das Dru ckver-
hältni s zwisc hen Eintritts- und Aust rittsquerschnitt eines Diffusors. Für einen Diffusor
na ch Bild E-47 mit parall elen Seite nw ände n gilt [EOS]:
E
kA Flächenverhältnis l- l
h2 Austrittshöhe [mm]
hl Bodenfreih eit [rum]
L Diff usorlänge [mrn]
ß Diff usorwinkel [0]
Damit dieses theoretische Verhältnis von praktisch ausgeführten Diffu soren mögl ichst gut
erreicht wird. darf die Luftst römung von keiner Begrenz ungsw and ablösen. Allein dadurch
sind dem Diffusorwinkel Grenze n gesetzt und der Dru ckanstieg kann nicht beliebi g bei
gegebener Diffu sorlänge ges teige rt werde n.
Auch ein von Reibu ngsei nflüssen herrührendes asy m metrisches Strömungsprofil im
Einlaufverschlechtert die Diffusor w irku ng. Darüber hinaus w ird ei ne Ungleichförmigkeit
der Strömung im Diffusor selbst gesteigert.
Allgemein sind folgende Param eter beide r Gestaltung von Diffu soren im Auge zu behal -
ten [EOS]:
das Querschnittsverhältnis kA: Es legt die theoretische Obergre nze des Druck rückge-
win ns fest.
die bezogene Diffu sorlänge Llht: Sie ist ein Maß für den Strömungs widerstand.
die Blocki eru ng der Eint rittsström ung: Sie ist mitverant wortl ich für ein ung leichför-
migcs Strömungsprofil.
Untersuchungen an einem einfachen Fahrzeug modell (Bild E-47a) schlüsscln die komplexe
Abtriebserzeugung im Unterbodenbereich auf. Auch wenn das Modell sehr einfach ist. sind
die Ergebnisse doch zumindest aufalle Fahrzeuge mit glatte m Unterboden übertragbar. Bei
Einsitzern si nd die Strömungsverhältnisse etwas ande rs und damit gelten folgende Aussa-
gen nur einges chrä nkt für diese Fahrzeugkategorie.
Bei der Untersuchung wurden zw ei Ausführu ngen des Unterbode ns verglichen. Bei
einem Fahrzeug ist der Unterboden im Heckbereich hochgezogen und das andere weist kei-
ne Neig ung des Bodens auf, Bild [~48.
Man erkennt, dass der Unterboden ohne Anstieg im Heck bei großen Bodenfreiheiten
(htIH > 0.7) keinen Abtrieb erzeugt, die hochgezogene Ausführung jedoch schon. Wird der
Abstand zum Boden verringe rt führt die Wechselwirkung mit der Fahrbahn zu r Erzeugung
von Abtrieb bci beiden Varianten. Wird der Abstand zur Fahrbahn zu klein nimmt der
Abtrieb du rch Zähigkcits cffcktc wieder ab. Zieht man nun den Ant eil des Abtr iebs durch
die Wechselwi rkung vom Abtriebsve rlauf mit hochgezogenem Unterbode n ab, so bleibt der
Anteil, der auf den Diffu sor allei n zurückgeht übrig.
Der Abtrieb durch den Unterboden setzt sich also aus drei unabhängigen Effekten zusam-
me n:
I. Abtrieb durch Wechselwirkung mit der Fahrbahn bei geringen Bodenfreiheue n.
2. Abtrieb durch das Hochziehen des hinteren Unterbodens,
3. Abtricb durch den Diffusor.
E Aerodynami k
------------ -------- ------------- ....1- -
-
-
-
-
-
-
--
-
-
-
-
-
-
---
-
---
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
--
-L
iAbtrlebsanteil
! Diffusor
0,8
:Abtrl eb
'<lu r ch Nel gu.!IlI
0,6
h,/H [.j
ansteigend
nicht
anstei end
..........L 1
0,'
Bo denfr eiheit
LI<btrieb durch
:wechselwi rkung
Quersc hni tt sve rhältn i s
5,07
2,54
0,2
bezogene
':"0,75
•
u
~
e
•
~4> 0,5
~
•~
•
.
-
e
~O ,25
Bild E-4 8 Zusammensetzung des Abtriebs du rch den Un terboden , nach [EG8].
Die Messungen basieren auf einem Fahrzeugmodell nach Bild E-47a mit folgenden Zahlenwerten:
LtIH .. 2,4, 8 11H .. 1,29. Bllh, .. 20,
Aus den Erkenntnissen der erwähnten Untersuchu ng kann auch eine erste Dimcnsionic-
rung des Diffusors erfolgen und zwar mittels Bild [ ·49. Die Diagramme zeigen für zwei
relat ive Diffusorlängen LlL l ( " Diffusorlä nge in Bezug zur Fahrzeuglänge) den Ve rlauf des
Abtriebsbeiwerts , der sich in Summe aus de n drei Effekten einstellt. LlLt "" 0,25 entspricht
in etwa dem Verhält nis, das durch die meisten Regle ments vorgegeben wird , nämlieh d ass
der Diffusor erst im Ber eich der Hinterräder beginn en dar f. Zum Vergleich ist das Kennfeld
eines extrem langen Diffusors mit LlLt "" 0,75 gegenübergestellt.
5
10
15
20
25
bezogene Di11usor länge Ll h , [ -I
--------;.i , 0~+-4
! •..• .•..
-------- t--
l ----- -t --- ------.~
,---- -
! '17
; ••••••••;
i
----·t~:~b~~'r---_r·--..·-·t- ,
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••, ,
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i
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,.0 ,
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-
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-
'---·----- ,·----t -- - ·-
c.s
o
c.a
---- ----;----
max . Abtr ieb
i
------- --
--------
-t-
o
5
10
1S
bezogene Oiffusorlänge l / h, [ -]
.
1
i
.,
'
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_. _.
__ . _._ ..i-
. ._.
.
··-f·
._.__... -._._..
iIlfl.=0,251
I
i
Bild E-49 Gesamt abtriebsbeiwert eA fü r zwei re lative D iff usorlängen, nach [E08].
D iese Messerpeonlsse bez iehen sich au f das Fahrze ugmodell aus B ild E-47a . Neben den Li nie n g leichen
Abtriebs ist die Ku rv e der ma xima len Abtriebswerte e ingetra ge n. Sie ist eine Ge rade.
154 1
3 Abtrieb E
Gibt man die Bodenfreiheit hl vor, was im Allgemeinen der Fall sein wird, so folgt die
Diffusorlänge L aus dem Diagramm durch den gew ünschten Abtriebsbeiwert CA auf der
Gerad en maximalen Abtr iebs und du rch realisierbare Querschnittsverhält nisse kA . Die Dif-
fusorlänge kann aueh von geometrischen und reglementbedi ngten Einschränkungen dik-
tiert werden, wodurch das Verhältnis Llh l vorgegeben ist. Die konstruktiven Möglichkeiten
ergeben sich in dem Fall aus dem Diagramm durch das Quersehniltsverhältnis, wora us die
Austrittshöhe h2 folgt.
Dadurch dass der Verla ufkonstanten Abtriebs in den Diagram men so zusagen die Höhen-
schichtlinien eines kegclför migen Bergs darstellt, gibt es für einen besti mmten Abtrieb
meh rere denkbare Diffusorau slegungen. Bei der Wahl des bestgeeigneten Diffusors ist
neben geometrischen Überlegungen auch die Tatsache hilfreich, dass ein hochgezogener
Unterboden auch den Luftwiderstand beeinflusst. Bild E-50 verdeutlicht dies wieder um für
zwe i relative Diffusorlängen.
Bild E·50
Reduktion des Luftwi d er stand s dur ch einen Dif-
fusor. nach (EOS].
Die Vergleichsbasis bildet ein Unterbode n ohne
Anstieg, o.h .kA
-
1.
OCw - Cw - CW,8asos'
Bei einer relativen Diffusorlänge LlLt von 0,25
ergibt sich für ein Flächenverhältnis k A von etw a
1.25 ein Optim um. das zur größten Ab nahme
des Luttwio er stand s führt. Bei großen Q uer-
scbnittsvemältmssa n (ca. > 1,6) steigt der luft-
w ide rstand an.
----r--------
,
-
!---
L Ld.~
,
1,5
2,0
2,5
3,0
Ouerschnith verM.ltnis k. [ .]
LIL,· 0,25
i
--------+-
-------T-
I
,
I
I
!
------t·-----·
0,050
~0,025
00
'-
_a x,415
rr
/
V1/
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_
L
iI
0
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0
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600 J
•
-,
!
11
1
o
o
•
_. x.2
-
-
,--
,""rt ,,,•• ""lI
<>===0
1000
Bild E·51
Unterbode n nach FIA [E01].
1 Gleitpta tte ena block
2 Heckd iff usor rear diffuser
Der Diffusor darf 1750 mm lang und max.
200 mm hoch sein. Der restlich e Unterbo d en ist
eben, abgesehe n von d er Gleitplatte und von ei -
n er r-A bschr ägung am Rand.
E Aerodyna mik
Gegenüber eine m Fahrzeug mit ebe nem Unterboden ohne Anstieg sink t der Luftwiderstand
ab, wenn der Unterboden hinten hochgezogen wird. also die Aust rittshöhe h2 vergrößert
wird. Bei weiterer Steigerung des Qu erschn ittsverhältnisses kA erreicht die Widerstandsab -
nahme ein Bxtrc mum und ab da verringert sich der Effekt bis er schließlich zu einer Luft-
widerstandsz unahme führt .
Beispielh aft für Abmessu ngen ei nes Diffusors im Heckbereich zeigt Bild E>51 den
Unte rbode n für zwc isitzigc Renn-Sportwagen wie ihn die FIA vorschreibt.
In vcrga ngcncn Rennsaisonen. als der Diffusor in der Formel 1 weit vor der Hinterach-
se beginnen durfte. war cr bis zu 70 % des Gesa mtabtriebs verantwortlich. Heute beträgt
dieser Anteil etwa " nur" noch 40 %. Bild E-52 zeigt in der Ansicht von hinten den Aus-
läufer des Unterboden s und somit den Diffusor eines Formel-I-Fahrze ugs. Im Bereich des
Anstiegs des Bodens befinden sich senkrechte Lcitclcrncntc, die den Luftstrom leiten und
die störende Wirku ng der von den Hinterrädern stam menden Randwirbel mindern.
Bild E·52
Diffuso r an einem Formel -l
- Wagen
(Senettcn Renault B 195, 1995).
Diffusoren müssen nicht zwa ngsläufig nur im Heckbereich ei nes Fahrzeugs vorkom me n.
Wenn es das Regle ment gestattet. sind hochgezogenen Unterböden durchaus auch im Bug-
bereich für Abtriebse rzeugung nutzbar. Die Abluft aus dem Diffusorbereich wird für die
Durchströmu ng von Wärmeta uschern herangezogen oder sie verlässt das Fahrzeug nach
oben bzw. zur Seite in Bereichen abgedrängter Außenströmung. Bild E-53 .
Bild E- 53 Frontdiff usor. Links: Ans icht von oben mit Luftfüh rung. Rechts : Ansicht von unten. Bo den plat·
te t ranspar ent dargestel lt. Die Luft tr itt vorne ein und ström t durch den Diff usor (1). tenuecre (4) lenken
den Lutts trom. der übe r die Öffnungen seitlich (2) und oben (3) austritt.
4 Flügelberechnung
E
Bild E-54
Wingle ts an einem
Formel- 1 -Wagen (Toyota).
Am Luftein lass des Motors
hinter dem Co ckpit sind zu -
sätzlich abt riebe rzeug end e
Rügel angebracht.
wtngters. Das sind kleine Zusatz-Flügel. die überall da angebracht werden können. wo
das Reglem ent noch eine Lücke offen gelasse n hat. Sie sind zumeist hoch an den Seiten-
verkleidungen und unmittelbar vor den Hinterrädern angebracht und sollen den Abtr ieb
ve rbesse rn.
Abtriebserzeugende Elemente arbeiten wu nschgemäß, wenn die Anströmung in der vor-
gesehenen Weise erfolgt. Zu Abweichungen kommt es beispielsweise bei Fahrten im Wind -
schatten eine s vorausfahrenden Fahrzeugs oder bei starkem Seitenwind. Am gefährlichsten
ist es. wenn das Fahrzeug seine geplante Stellung zur Fahrbahn ändert . Da genügt bei hohen
Geschwindigk eiten unter Umständen schon der Druckverlust in ein em Hinter reifen, dass der
Unterbod en hinten absa ckt und die dadu rch einström ende Luft das Fahrzeug buchstäblich
anhebt. Zu ähnlich gefahrliehen Situationen kommt es bei einem Dreher in schneller Fah rt:
Das Fahrzeug wird dann von hinten bzw. von der Seite angeströmt. Es gibt Einrichtungen.
die den Auftr ieb eines Fahrzeugs in solchen Fällen reduzieren. Im nordamerikanischen Win-
ston Cup kam es dabei zu so starkem Auftrieb. dass die Fahrzeuge abhoben . Sicherheitsklap-
pen und Leisten verhindern nun dieses Phänomen . genaucres siehe Kapitel C J Siche rheit .
4 Flügelberechnung Calculation of wings
Im Folgenden soll eine Auswahl einer Flügelkonfiguration. d . h. Flügel vorne und hinten.
getroffen werden [EU?]. Aus Windkanalu nter suchun gen stam mt die Erkenntnis, das s bei
Einsitzern de r Fronflügel kaum de n Luftwiderstand de s Fahrzeuges hebt. So ergibt sich eine
einfache Möglichkeit der Auslegung, weil nur der Hecktlügcl de n Leistungsbedarf hebt und
nur d ieser in di e Betr achtu ngen eingeht. Die Höchstgeschwindigke it des Fahrzeugs ohn e
Flügel hängt in erster Linie nu r vom Luftwiderstand ab. der vom Motor überwunden werden
muss:
PI. A
CW-
V
2
E Aerodynami k
f}..l.max - I/Antrieb
"max = .1
PM,max
" Antrieh
'w
PL
Ay
theoret ische Höchstg esch wi nd igke it ohne
Flü gel [m/s]
ma x. Motorleistu ng [W]
Wirku ngsgrad des Ant riebstrangs [-],
sieh e Tabell e E-4 u nten
Luftwiderstandsbeiwert des Fahrzeugs [-I
Luftdichte [kg/m'] , P Luft , mille! "" 1.22 kg/m ·
1
Spantfläche des Wagens [m2J
PW.err
er forderli che Lei stu ng für redu zi e rt e
Höchstgeschwindigkeit mit Flügel [W]
~'mil FIüg.c1 Höchstgeschwindigkeit mit Flügel (m /s],
Ocr Wirkungsg rad des A ntr iebss tr angs hängt neben der Detailgestalt ung seiner Kompo-
nenten von der gru ndsätzlichen Anordnung ab, siehe Kapitel M 1 Antriebsstrang. Für eine
erste Betrachtung z ur Flügelwahl kann Tab elle E·4 herangezogen werd en .
Tab . E ·4 Wirkungsgrad de s Antrieb slrangs [E14].
Fah rz eugart
' /Antrleb
Einsi tzer mit Hec kmo tor und kalten o der schmalen Reifen,
0.91
Z. B . Forme l Fcro, Bergst reckenrenner
Einsitzer für Rund streck e nre nn e n mit wa rmen und b reiten Reifen,
0,875
z. B.Formel 1,Formel 3000
Limousine für den Renneinsatz. Spo rtwagen mit Motor über der
0.85
Antriebsachse, z. B. Le Mans-Wagen, tmp. Mini
Rennwagen m it Frontmotor und Heckanfrteb, z . B . Clubma ns
0.82
Wird nun ein Heckflügel an dem Wagen angebracht, fallt durch seinen zusätzlichen Wider-
stand die erreichbare Höchstgeschwindigkeit bei gleichgehaltener Motorleistu ng ab. Man
muss sich also entscheiden. wie viel de r ursprünglich möglichen Höchstgeschwindigk eit
man zu Gu nstertdes Flügels (und damit für Abtrieb) au fgeben ka nn bzw. will . Die erforder-
liche Leistung für die gewählte Höchstgeschwindigkei t mit Flügel folgt zu:
Po
-
c EL~,.,
·A
w.crf - W 2 mitFlügel V
Vmil Flüg.cI < vmax
Dabei ist die vom Heckflügel "aufgenommene" Leistung:
jj,p = l\1.max '1]Antrieb - rv .,'.crf
o.p
vom Heckflügel (in erste r Lini e) hervorgeru-
fener Anteil der Leistung [W]
158 1
4 Flügelberechnung
E
Mit den Flügelhaup tabm essu ngen steht dam it die Obergr en ze für seinen Widerstandsbei wert
fest:
CW.Flügel. , . ma x
A Flügel. r
.
',
C,
6P
Pt. 1,3
•A
T mit Flügel FIOgcl.r
max imal zulässiger c'JI.- Wert des Heckflügels l-I
Flügelgrundfläche des Heckflügels[m-] , AFlügel., '" s, . c,
Spannweite des Heckflügels [m]
Seh ne nlänge des Heckflügels [m]
Der Abtriebsbei wert hängt über da s Flügclprofil mit dem cw-Wert zusammen:
c»: ~ }'(C\.l/ )
CA•r Abtriebsbeiwert für Heckflügel [-I
.r
.r
CW. ,
Luft widerstand sb ei we rt für Heekflügcl [-]
Zu r groben Orientierung ze igt Bild E·55 diesen Zusammenhang zwischen den aerodyna-
mi sch maßgebenden Beiwerten g rafisch,
Bild E·55
Beispiel für den Zusammenhang zwi -
schen Auftr ieb und Widerstand eines
Flügels. nach [EDl] .
Das Diag ramm bietet eine O rientierung
über den Zusammenhang der beiden
Beiwerte.
,.s
t.3
'.'
.....i-
..-
..-
.- L..---.. --+
-i
--f
- ---- ----- ---;.
-------- --- -+--
-- ---- --
i
0,5 0,7 0,9
c",Wert des Flügels l-J
. ..... ,
,.._.._
....,
0.3
Mit diesem cA,r"Wert wird ein Flügel aus Flügelkatalogen ausgesucht. Zuerst wird man die
Grundkonfiguration (cin-, zwei- oder mehrteil ig) festlege n und dan n ein spez ifisches Profil
mit dem da zu erforderlichen Anstellwinkel aussuchen.
F L.Z
.
r
'v
Abtri ebskraft de s Heckflügels [N]
"" \lmil Flügel [m/ s]
Das grundsätzliche Fahrverhalten des Wagens soll auch mit Flügeln gleich bleiben. daher
wird gleiches Nickverhalten anges trebt. Das wiede rum bedeutet gleiche Fcdc rwcg ändc -
rungcn vorne und hinten. damit der Nickwinkel des Wagens unverändert bleibt. Die Bedin-
gungen für den Fede rweg lauten also;
"
"
F Z.V.f
Fz.v.r
FZ.V. f
cSp. f
A.
<.>.\'1' = <.>.\', -+
---
~--- ---~
-- =const='Ps
c
c
F
c
.p
Sp.f
So.r
Z.V.r
So.r
.105 1'_.1.~r
Fz.v
.
r• FZ.V•r
('sp.r . cSp.r
"' s,
Feder wegänderungen vorne bzw. h inten [m]
Radau fstandskräfte vorne bzw. h inten auf die Achse bezogen [N]
radb ezogene Federraten der Radaufh äng ung vorne bz w. hint en (N/m]
Verhältnis der radbezogene Federraten vorne/hinten [-I
E Aerodynami k
F1,l ,r
FZ,l ,1
rl
----- -
~
~QIv
--{
~.
Fz,v,t
.
.
FZ,V,f
1,
Fz,v,r
1F.f
1
11F,r
Bild E-56
Kräfte und Abmessungen
am Fahrzeug.
Fz.u
. FZ.L.~ Fz.v'!. F1.'''''
Kräfte. siehe Text
J Radstand
IF.~ 'I. ' f ,f Abmessungen
Aus dem Kräfte- und Momentengleichgewicht am Gesamtfahrzeug (Bild [ -56) ergibt sich
ein Zusa mmenha ng zwis chen den Abtriebskräften der beiden Flügel vorne und hinten. Man
erkennt. da ss ein Heckflügel. der nicht direkt auf die Hintera chse wirkt. sonde rn nach hin-
ten versetzt ist, eine größere Abtriebskraft auf die Hinterachsc erzeugt. Dies allerdings auf
Koste n de r Vorde rachsla st. die dadu rch klei ner w ird . Ocr Fro ntflügcl wird bei eine r solche n
Konfig uration also ein notwend iges Ausgleichsele ment. dam it die Vorderachse auch bei
hohen Ges chwindigkeiten genügend Achslast aufweist.
F
_
FZ.L r(B· D - 1)+ Fz,V,I(B·!r - I)
Z.U
-
I+B./
Fr
F z.U
B,D
I,Ir.f. /r, Ir,r
Fz.v.,
e r fo rd erlic he Abtri ebskraft
des Frontflügels zum Aus-
gleich von FZ,L.r [N]
Hilfsg rößen:
B=
<Psp+1
und
I
D=I+l1',r
Längen Im], siehe Bild E-56
Gesamtgewicht des Fahr-
z eugs (N]
Aus der mit obe n ste he nde r Gleichu ng e r mitte lte n Abtrieb skr aft des Fro ntflügels Fz.u fo[gt
der Abtriebsbeiwert dieses Flügels:
FZ.U
c·" .r
Abtriebsbeiwe rt de s Frontflü gels ohn e
Bod eneinfl uss 1- ]
AFIü g.cLf Flügelgr u nd fläche des Fro ntflügels 1m 2]
AFlügc1.f = sf ' Cf
Durch de n Bodeneffekt ist das tatsächliche Abtr iebsverhalten des Frontflügels je nach
Bodenabstand unter Umständen wesentlich anders. Der Abstand des Flügels zum Boden
muss also berü cksic htigt werd en :
C" .f,crf tatsächlich erforderlicher Abtriebsbeiwert
des Frontflügels , der mit Bode neinfluss d en
gewünschten Abtrieb C· ", f her vorruft l-l
h r.f
Bodenabsta nd de s Fro nt flügels Im]
5 Luftleitelemente
E
... ,
,
,
,
1
0,1 0,20,30,40,50,60,7 0,80,9 1,0
rel ativer Bodenabst and hFlc [ -]
2,5
,
~
r
..,
,.
2 ~i~ ··'
L
,j
.......
:?1,5
L2~::::;:=';'~__
Bild E-57 Einfluss des Bodeneffe ktes auf den Abtriebsbeiwert eines zweiteiligen Flügels. nach [EOl ].
Über dem relativen Bodena bstand ist der relative Abtri ebsbeiwert aufgetragen. Der Abtrieb eines Flügels
nimm t mit kleine ren Abs tände n zum Boden überproportional zu. Oie Basis bildet der Abstand h • C. d. h.
die Sehenlänge des Flügels, h F Bodenabstand des Flü gels
Beispielwert e für die Au sw irkun g des Bodeneffekts bei einem Frontflügel können lJi ld [-57
entnommen werden. Die Werte zeigen nebenbei auch, warum das Nicken von Fahrzeugen
mit Frontflügeln zu einem so gravierende n Problem werden kann. Bei kleinen Bodc uabstan-
den erreicht der gezeigte Flügel meh r als das Doppelte an Abtrieb des Werts beim Abstand
h = Sehnenlänge und "unterstützt" damit die Nickbewegung noch mehr.
Aus de n Randbedingu ngen. die da s Reglement und de r Bauraum vorgeben. kann nu n
ein Bodenabsta nd hF für den Frontflügel gewählt werde n. Dieser Bodenabst and wiederum
legt für einen bestimmten Flügel das Verhältnis cA/cA,h . 0 fest. mit dem der theoretische
Abtr iebsbeiwerl verstärkt wird. Mit diesem Verhältnis folgt der erforderliche Abtriebswert
zu r Flügelwahl zu:
CÄ,f
C[r>--C""---
A, .cr
-
I
CA CA.II =O
CA/CA.II . 0 Verhältni s der Abtriebsä nderung durch Boden-
cinfluss l-l .siehe z. B. Bild E-57
Aus einem Flügelkatalog kan n nun ein geeigneter Frontflügel mit cA.f.crfausgesucht werden.
Der Flügel wird mit dem ent sprechenden Abstand hFzur Fahrbahn montiert.
5 Luftleitelemente Deflector d evices
Leilftäche n Barge boards. Sie haben eine ähnliche Funktion wie die Endflächen an den
Flügeln . Sie erschienen in der Formel l erst mals 1994. nachdem die .xnd-platcs'' laut Regle-
ment radikal verklei nert werden mussten. Barge boa rds können horizontal, meistens abe r
vertikal angeo rdnet sein. Ihre Aufgabe ist. die Luftströmu ng hinter dem Frontflügel zu
beeinflussen und zu glätten. bevor die Luft in Richtung Heck weiter strömt. Wie wichtig sie
sind, beweisen die Umle nkelemente am For mc1 -I -Ferrari F3lOB von 1997 mit ihrer stark
abg eboge nen Oberkante. Sie waren ei n proba tes Mittel gege n die starke Untcrstcucm ci-
gung, die bei den ersten Tests das Handling beeinträchtigten [EI2].
E Aerodyna mik
~DUNLOP
www.abl·sportsline.de
.
~ castrol
Bild E-5 8
tenüäcnen an der Vorderrad-
auf h ängung ei n es Pormel-t-
Wagens (Ferrari).
Zu se hen ist die rechte Fahrze ug-
seite zwischen Vorde r rad und
Kühle reinlass.
Bild E-59
tenoiecne am Bug eines Tou-
renwagens (Abt-A udi. OlM).
Es ist d ie link e Fahrzeu gfront
abgebildet. Das u-f örmige Ele-
ment wird beiosens am Bug an-
geschrau bt. Es leitet die L uft um
den Vo rderteil des Rad ha uses .
Außerdem ist au f dieser Aufnah-
me der Splitter g ut z u erkennen.
Sealtops . Das sind Abwciscr bzw. kleine geschwu nge ne Formteile vor den Hinterrädern .
Sie werden dort angebra cht. wo der .Fluschcnhalscffckt'' an der Einschnüru ng der Außen-
haut beginnt. Das ist ein weiteres Mittel, um die Luftwirbel zu glätten, also die Strömung
um den Hinterreifen zu beeinflussen und die Diffusorwirkung zu erhöhen.
Bild E-60
Abwetser vor dem Hinte r-
ra d eines Fo rme l-1-Wagens
(Ren au lt R25).
Die A owerser helfen die luft
wirkungs vol l um d ie Hinterrä-
der zu leiten.
6 Wärmeabfuh r und Entl üftung
Sp litter sp liuer. Ein Splitter teilt den Luftstrom (Name von cngl. 10split "" teile n. tren nen )
und hilft somit die gewollte Wirkung nachfolgender Bereiche zu erhöhen bzw. störende
Wirkungen zu mindern. vgl. auch Bild E-66b. Ein Splitter am Fahrzeugbug kann auch den
Abtr ieb a n de r Fahrzeugfront erhöhen. we il e r sieh in der Zone des Sta udruc ks befindet.
Dureh d ie Dr uckdifferenz zum Bereich unter halb des Splitter s entste ht ein e abwärts ger ich-
tete Kraft. Bild 1-:'61.
E
-- ---~
~ l--
/
Bild E-61
Wirkung eines Splitters im Buqberetch.
Der Splitter ist am Unterboden im Staudr uckbe-
reich des Bugs befestigt. Aus der Druc kdifferenz
zwischen ober - und unterhalb des Splitters resul -
tiert eine abwärtsgerichtete Kraft. Über die Länge
des Splitters kann d ie Grö ße dieser Kraft in gewis-
sen Grenzen beeinfl usst werden. Die Länge wird
unter anderem von der erforder lichen Bodenfrei-
Mit für Niekbewegungen des Wagens beg renzt.
Bild E-62
Split ter an einem Formel-1-
Fahr zeug (BMW Williams).
Der Splitter befindet sich unter
der hochgezogenen Fahrzeug-
nase und teilt den Luftstrom zwi -
schen Unterboden und Einlass
zu den Wärmetauschern . A ußer-
dem nutz t er den Staudr uck in
d iesem Bereich zur Erzeugung
einer Abtriebsk raft. Die Kante
vorne ist tropfenförmig gerundet.
Bild E-63
Frontspoiler mit Splitter an
einem Le-Mans-P rototyp-Fahr-
zeug (Bentley EXP Speed 8),
E Aerodynami k
Settenverkle td unge n od er Seiten schal en sidep ods. Sie weisen z umeist flüssige Linie n auf,
sind aber keineswegs nur dekorative Mittel , um die Wasserkü hler z u verkleiden; sie schüt-
zen auch als dcformicrbarc Elemente (..Knauts chzone n") die Wagenflunken.
6 Wärmeabfuhr und Entlüftung
Heat removal and ventilation
Aufgabe de r Aerodynamik ent wicklung ist nicht nur Abtri eb und Luftwiderstand z u opti-
mieren, sonder n auch für eine Be- und Entlüftung einzelner Bereiche und damit für eine
gesielte Wärmeabfuhr zu sorgen. Bild E:'64 zeigt beispielhaft an einem Sportprototypen
welche Baugr uppen besondere Bc- und Entlüftu ngen brauchen.
Sämtliche Wärmeta useher (Mot or, Ladcluft, Getriebe) müssen mit Kühlluft versorgt
werden. Dazu komm en weitere Komponenten mit Wärmeanfall wie Bremsen, Abgasturbo-
lader. Abgasanlag e. Kompressoren, abe r auch elektronische Hochleistu ngsbauteile.
Allgemein wird versucht Baugr uppen mit einer ähnlichen maximal zulässigen Tempe -
ratur räumlich zusammenzulegen. Dann kann nämlich ein Luftstrom " mehrfach" genutzt
werden. Liegt die Temperatur eines Abluftst roms der vorhergehenden Baugruppe unter der
verwendbaren für die nachfolgende, so kan n der Luftstrom direkt weitergeleitet werden. So
ein brauchbares Tempe rat urgefälle ergibt sich beispielsweise in der Anordnu ng Lad eluft-
Bild E-64 Be- und Entlüftu ngsöflnungen an einem Rennf ahrzeug.
1 Eintritt Getriebekühler
6 Bel üftu ng Cockpit
2 Eintr itt Bremsen Hinterachse
7 Eint ritt Frontdi flusorJ Spli lter
3 Eintr itt Tu rbolader (Motor)
8 Eint ritt Brems en Vord erachse
4 Belüftung Motorraum
9 Austritt Bugbereich
5 Austritt Frontdiffusor
10 Entlüftung Mo torraum
164 1
6 Wärmeabfuh r und Entlüftung
kü hler nac h dem Luft e intritt g efolgt von Wär metau sehe r für Gctricbcöl od e r Abl uft üb er
Kanal für Bremsenk ühlung.
Für gewöhnlich werden Staubereiche be vorzugt für Einlassöffnungen herangezogen ,
weil d as die größten Druckgefälle ermöglicht. Typisc he Staubereiche finden sich an der
Fahrzeugfront. bei ausgestellten Seitenkästen und bei aufgesetzten Kaminen. Die erforder-
lichen Austritte nach der Durchströmung von Wärmetausehern u. ä. befinden sich an der
Oberseite bzw. den Flanken der Außenhaut ode r am Unterboden bzw. im Heckbereich. Ziel
bei der Gestaltung von Ein- und Auslässen ist deren hohe Effizienz und natürlich möglichst
ger inge negat ive Beei nflussung des Abtriebs. Einlassöffnungen filr Wär metauseher sollen
nicht in der Nähe de r Fahrbahn liegen, weil die Lufttemperatu ren nahe des Asphalts an
heißen Tagen wese ntlich höher sind, als einige Dezimeter darüber.
Wärm et au seher heat excbanger. Ein Schacht sorgt für die nötige Durchströmung der Wär-
metauseher. DlIS ist wesentlich gü nstiger als den Wärmetauseher einfach "in den Wind " zu
hängen, IJild [ -65 .
Bei einem Schacht ist nicht nur die Luftzu- sonde rn für ein wirku ngsvolles Druckgefälle
ebe nso die -abfuh r wichtig. Die Austrittsfl äche de r Luft soll etwa doppelt so groß wie die
Eint rittsfläche sein [EI4]. ln Extremfällen hat erst die dreifache Flüche zu befriedigenden
Ergebnissen geführt. Weiters ist für die Gestaltung des Eintritts bed eutend, dass es auc h
zu Schräganströ mung kommt, die Luft also nicht bei jedem Fahrzustand "wie geplant" im
rechten Winkel auf die Öffnung zuströmt. Damit es zu keinen Absch attungscffcktcn durch
Strömungsablösung bei schräger A nströmung kommt, wird de r Einlassbereich abgerundet
und im Qu ersch nitt mit eine m Tropfenprofil ausgeführt , Bitd [ -66 . Der Rund ungsradius
der Eint rittslippe soll mögliehst gro ß sein und mindestens in der G rößenordnung von 6
bis 12 mm liege n [EHl). Der Eintrittsquerschnitt wird bei Neukon struktionen mit minde-
ste ns 25 % der wärmerauscherfläc he ausgefüh rt. Bei strömungs ung ünstiger Gestaltung de s
Schac hte s kö nne n jedoch a uch bi s 60 % erfo rde rlich werden.
Der Wärmetauseher stellt ein Strömungsh indernis dar , deshalb soll ih n die Luft mit gerin-
ger Geschwindigkeit durchströmen. Das wird durch die gezeigte Gestaltung des Sch achts
als Diffusor erre icht. Dieser Diffusor führt darüber hinaus die Strömung im rechten Winkel
auf das Netz des Wäremtauschers. Damit die Luft beim Verlassen des Schachts möglichst
wenig Verluste erze ugt, mu ss ihre Ge schwin digk eit nac h dem Wär metauseher w ieder auf
das vo rhe rige Niveau besch leu nigt wer de n. Diese Aufgabe übern immt der Düsenbereich
des Sch ach ts . Eine weitere Maßnahme z u r Ste ige ru ng der Effizien z der Einlassöffnung
besteht im Sepa rieren der energiearmen Gren zschicht . Damit die Gren zschicht nicht in die
Ö ffnu ng strö mt, wird diese von der Oberfläc he des res tlichen Fah rzeu gs abgerück t ( Bild
E-66b, linke Varia nte) oder ein Splitter trennt den Luftstro m in vorteilhafter Weise (Bild
E-66 b, rechte Variante).
E
'~urTW '
-
-
=
-
""-=~
c.= 1,40
c.= 0 ,20
-
-
-
-
c..= 0, 11
Bild E- 65 Luft wid erstand au sg ew ählter Wär m etausch eran ord nu ngen, nach [E1D].
Der f rei stehend e Wär m etausc her i st zwa r die einfachs te. aber zugleich d ie ungü nstigste Lösu ng,
E Aerodyna mik
-
-
--
-
-
a
Gre nzs chicht S lit ter
-
--
-
-
b
Bil d E- 6 6 Schach tgesta ltung fü r wärmetauscner. nach [E10].
a Buganord nung (vert ikale Scrmrtta nscntj, vgl. Bild E-67
b seitliche Ano rdnung (zwe i Varianten , horizontale Scbnittansichü
Ein strömung sgü nst iger Sch acht gliede rt sich in 5 Bereiche:
1 Eintritt enr-aoce
2 Diffusor di ffusor
3 Wärmelauscher (Strörnunqs wicerstandj heat ex cha nge r
4 Düse nozzle
5 Austritt exi l
Bild E- 67 Wärmetau seher im Bug eines Monopostos (Lotus 49 R6. 1970).
Der Einlauf an der Fahrzeug front ist ge run det. Der Bereich fü r den Wärmeta useher da hinte r ist hö her
und brei ter als de r Einlauf. Die Abluft entweicht über zwei Öffnungen an der Oberseite des Rumpfes. vgl.
Bild E-66a. Daz wisc hen ist eine Hetze für die Belüft ung des Cockpits angeord net. Man beachte überdies
den Blechw inkel an der Oberse ite des Bugs in der Nähe der Eiruassötf nu rq . Sie wi rkt äMlich wie eine
Gurney -Le iste b ei ein em Flüge l.
6 Wärmeabfuh r und Entlüftung
Bil d E- 68 Günstige Anordnung eines Wärmetausehers (Form el Renault, 2000).
Das abgeb ildete Fahrzeug weist zwei Wärmetauseher symmetrisch beidseitig des Cockp its auf. Der
betrachtete Wärmetauseher ist link s neben dem Cockpit angeordnet. Er ist schräg zur Fahrtr icht ung
anges tellt und weist so eine relativ kleine projizierte Spantf läche auf , Die Gest altung der Umgeb ung
sorg t dafür, dass de r Wärmetausc her dennoch vollflächig von Luft durchströmt w ird. Beide Anschlüs-
se (Vor- und Rück lauf) befinden sich unten am wä-mera uscner. Der untere Wasserkasten enthält also
ein Trennblec h. dam it de r Kühler in seiner Höhe zweimal vom Wasser d urchströmt wir d. Oberhalb des
Luf teintritt s ist das Motorsteuergerät angeordne t. Es wir d von zwei Winkeln geführt und üb er ein leic ht
entfernb ares. elastisches Band fixiert.
E
Bild E·6 9
Luftführung zu Wärmetauseher
(Dallara Formel 3).
Die Luft tritt seitlich neben dem Fahr-
zeugrumpf ein und w ird in einem dif-
fuso rartigen Schacht verlangsamt
und auf den schräg stehenden Wär-
metauscher geleitet. Die austretende
Luft strömt d urch einen düsen ar-
tigen Schacht (nicht im B ild) nach
hinten aus, Der Wärmetauseher ist
im Seitenkasten untergebracht und
verbreitert den Rumpf w egen seiner
Schrägstellung kaum .
Die relat iv empfindlichen w är mera usche m etze werden soga r bei Runds trccke nfahrzeugen
mit einem Schutzgitter im Einlassb ereich des Luftsc hachts vor Stein schlag geschütz t.
Auslegung vun w ärm et ausehern. Bauteile. deren Wärme abgeführt werden muss. haben
eine gewisse Masse und somit ein gewisses w ärmespeichervermögen. Aus diesem Gr und
muss der Wärmetaus cher nicht auf die mögliche ma ximal anfallende Wärme ausgelegt wer-
den. Bei einem Motor ist die maximale Leistung durch Messungen bekannt. Ein For mel-I-
Ottomotor hat etwa einen Gesamtwirk ungsgrad von 26 % [E02]. d. h. 74 % der durch den
E Aerodyna mik
Kraftstoff zugcfUhrtcn Energie müssen über das Kühlsystem und den Abgastrakt abgeführt
werden. Grob kann bei allen Ottomotoren von einer Drittclu ng der Energieanteile im Kraft-
stoff ausgega ngen werden . Ocr sclbc Betra g der abgegebenen Motor(n ulz)1cistu ng m uss
also durch das Kühlsystem abgeführt werden und der seihe Betrag wird über das Abgas an
die Umgeb ung abgeführt.
Das Kühlsystem wird auf die durchschnittliche Wärmemenge ausgelegt, die innerhalb
einer Runde oder eines Laufes anfallt. Ocr wär meaufnehmende Luftstrorn ergibt sich aus
der dur chschnittlichen Fahrze uggeschwi ndigk eit. geneuer aus der Luftgeschwindigk eit
durch die Wärmeta uscher. Diese betrügt ungefähr 15 % der Geschwi ndig keit, mit der das
Fah rzeug engest römt wird [E02]. Bei Rallyes beträgt die Du rschn ittsgeschwindigk eit auf
den meisten Strecken ca. ROkm /h [EI6].
Natü rlich mü ssen auch in diesem Berei ch Kompromisse eingega ngen werden. Das Kühl-
syste m soll einerseits aus Gründen geringen Gewichts und Luft widerstands möglichst
klein sei n, andererseits erhöht ein voluminöses Kühlsystem die (thermische) Stabilität des
Motors.
Wärmerauscher. d ie die Wärm e an die Luft abgeben , werden meist als K reuzstrom war-
meta useher (cross-fto w heut exchanger) ausgeführt. Bild 1<:-70.
TC, 1
--....
TC,2
Bild E·70
Prinzip eines Kreuz ano m w är rr etausch ers.
Die Luft (Index L) strömt durch die Röhrchen, die
das Kühlmitt el (Index Cl leiten und nimmt dabei
Wärme auf,
Eintritt: Index 1
Austritt: Index 2
Das Kühlmittel durchströmt die Röhrchen vorne hmlich quer zu r Fahrtrichtu ng und gibt
Wärme an die durch das Netz des Wärmetausehers strömende Luft ab. Die Temperatur des
Kühlmediums sinkt dadurch und gleichzeitig wi rd die Luft erwä rmt:
liTe=TCI-TC,2e0
liT!. = 1i..2 - Tl.,1~0
liTe Tempe raturdiffe renz Kühlmittel (K]
liTL Tempe ratu rdi fferenz Luft (K}
Die Wärmeübertragungsleistu ng eines Wärmeta uschcrs ist:
Q=k ·A ·t>.T
Q Wärmestrom d urch den Küh ler [W]
L Wärmedurchgangszahl (W/(m2K)J
sr mittlere Temperaturdifferenz [KJ
16s 1
6 Wärmeabfuh r und Entlüftung E
Bild E-71
B lockv olumen und Masse nst ro mdichte ein es
k reuzstr omw arm etausc ners.
Aus den Massenströmen ni l bzw. n l(. von l uft
bzw. Kühlmitt el folgen d er en M ass enstr omd icht en
zu:
.
_ .!!:.L ' _ filC
M L - b.h ,Mr-J;:!
.1
b
~---=-----'
y/
~"0 m,
'l
-~
=;l
~
~
Der Wärmestrom bezogen auf eine mittlere Temperat urdifferenz von I K (also k . A) ist
bezogen auf das Block volu men (Bild [.71) eines Krcuzsrromwarmctauschcrs nahez u unab-
hängig von der Kühlergröße.
Übliche Blockdicken t liegt bei etwa 50 Olm aufwä rts. Die stirnscitigcn Abmessu ngen
(h, h) richten sich nach de n Einbauverhältnissen.
k'A
"
kA/V
spezifische Wärme übertrage rlcist u ng [W/(K dm -' )]
V =f(!~h,Me) V
Blockvolum en des Kühlers [dm'], v "" h·h · t
b. h, t Abmessungen [dm], siehe Bild E-71
M I.. Al e Massenstro mdichte von Luft bzw. Küh lm ittel (kg/(m2s)],
siehe Bild E-71
nil. . /he Massenstro m von Luft bzw. Kühlmittel [kg/s]
Die spezifische Wärmeübertragerleistung k AIV wird durch Messung ermittelt und in Dia-
grammform über die beiden Massenstromdichten von Luft und Kühlmittel wiedergegeben,
Bild [-72. Damit ka nn d ie spe zifische Wär meübe rtragerleis tu ng eine s Kühlers best im mt
wer den ,
Für die Bestimmung der Wärmeübertragerleistung wird nun noch das Betriebscharakte-
ristikdiagramm herangezogen. Für die Eingangsgrößen dieses Diagramms werden die Wär-
mekapazitätss tröme gebraucht:
~f'L = lill. . Cp.L
Wc =- file' Cp.C
~VI.. IYe Wärmekapaz itätsstrom der Luft bzw. des Kühlmittels [W/K]
ep.l . ' cp,c spezifische Wärmekapazität bei kon stantem Dr uck de r Luft
bzw, des Kühlmittels [J/(kg K)]
und damit wiederum die Eingangsg rößen für das Betriebscharakteristik-
Da rau s folgt Wnun
diagramm:
~Ymin = Min(IVI.,1YC>
Aus dem Betriebscha rakteri stikd iagra mm lässt sieh d ie Betr iebscharakteristik f/J bestimmt
durch das Verhältnis der Wärmekapazitätsströme IVL und IYe sowie de m Wärmestrom kA
ablesen. Die Wärmeübcrtragerleist ung Q kann damit vollständig bestimmt werden:
Q= ar .~Ymin 'liTt
E Aerodyna mik
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•••,
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t: 50
•
•.,
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~~ 150
Bild E-72 Wärmeta usche rdiagramm [ED8].
Dem Diagramm liegen folgende Beding ungen zu -
grunde:
Küh lmittel: Wasser-Glykol -Gemisch 50/50 %
mittle re Ftototernperetcr 355 K
mittle re Lutttemp e retu r 310 K
Aus den Massenstromdichten ,Ü\.. ,. Ü(" von Luft
und Kühlmi ttel folgt die spezifische w ärme über-
t rager leislung I<.A /V des Küh lers ,
Bild E-73 Betriebscharakteristi kd iagramm eines
« reozstromw ärmstauscners [ED8).
Über d ie Eingangsgrö ßen Wmm I fl'mo-, und 11 A I It 'm;n
kan n tP abgelesen we rden.
An den Seltenkäste n von einigen Formelfah rzeugen findet man Kamine, die den Motor-
raum entlüften und so auch einen Teil der Wärme an die Umgebung abführen. Bild [·74.
Bild E·74
Kamin am Seitenkasten eines Formel -l -Wagens
(McLaren-Mercedes).
Das B ild zeigt d en rechten Seitenkasten. Un ter dem
Kamin ka nn man den Splitter vor dem H interrad
und da rübe r den Flaschenhals- Einzug erke nne n.
170 I
7 Auslegu ng und Absti mmung
Eine Entlüftung wird auch gerne am Radhaus (whed arch, AE:f ender) von Fahrzeugen mit
umschlossenen Rädern vorgesehen. Jalousiea rtige Ausla ssschlit ze (lOlHTes) an der Ober-
seite des Radhauses lassen die zur Bremsenkühl ung eingeleitet Luft nach hinten austreten
ohne die Außenu mströmung allzu stark zu stören. bzw. die beschleu nigte Außenströmung
senkt im Radhau s den Druck ab und kann so auch Abtrieb hervor ru fen, Bild E-75.
E
Bild E-75
Entlüftung eines Radhauses an
einem Tourenwagen (Merceces) .
An de r Oberseite des Radha uses
sind lamellenartige Öffn ungen
nach hinten gerich tet. Die außen
umst römende Luft erzeugt so ei-
nen Unte rdruck im Radh aus. de r
sogar Abt rieb erzeugen kann.
Bei all den tech nischen Überlegungen z u Wärmeabfu hr und Belüftung darf da s Cockp it
nicht vergessen werden. Vor allem bei geschlossener Ausführung ist auf eine ausreichende
Klimatisieru ng des Innenr aums zu achten. Mit zunehmende r Temperatur nimmt die Lei-
stungsfähigkcir und Konzentr ationsfähigkeit des Fahrers ab. was vor allem bei Langstre -
ckenfahrzeugen ein maßgebendes Kr iterium ist. Darüber hina us finden sich mittlerweile in
einigen Reglements (so z. B. für die 24-Stunden von Le Mans) Vorschriften betreffe nd die
ma ximalen Luftte mpe rat uren im Coc kpit. Manche Fahrzeuge - vor allem jene mit Front-
motor - weisen so tatsächlich eine Klimaanlage auf. wie sie sonst nur bei Serienfahrze uge n
bekannt si nd. Bei de r Wahl de r Belüft ungsöffnu ng ist nebe n mögli chen Wär mequ elle n auch
Regenwasser z u bedenken. Es gab schon Langstreckenfahrzeuge. deren Cockpit bei Regen-
fahrte n überflutet w urde. Die Cockpitkh matisic rung ist nicht nur aus menschlicher Sicht.
sondern auch aus technis cher Sicht wichtig. weil damit das Beschlagen der Windschutz-
sche ibe verh indert we rde n kann .
7 Auslegung und Abstimmung Dimensioning and setup
Die aerod ynamische Ausleg ung eines Re nnfah rze uges ist ei n Kompromiss z wische n Luft-
widerstand. de r möglichst klein sein sollte, und Abtrieb, de r für Bremsen, Beschleunigen
und vor allem Kur ve nfahrt möglichst groß sein sollte (vgL au ch Bild Q-4). Wird der Abtrieb
vergrößert (z. B. durch Ändern des Anstellwinkels eines Flügels) erhöht sich der Luftwider-
stand und umgekehrt. vgl. Bild E-76.
Die gewählte Einstellung hängt somit von der Strecke ab und wird ausgehend von den
Runden zeiten optimiert. Dabei wird au f engen Kursen ein höherer Luftwid erstand in Kauf
E Aerodynami k
nieder 0 ,5601 11
:
0,5
0,55 0 ,6
0,65
Luftwiderstandsbeiwert
Abtriebs -
einstell ung
hoch
mitt el
hoch
o 621
0 ,6544
0,7
C.
11 0,6
v ·······
1/.
~L
••
~.~
u•
•
o ..-1
....
<
EC
°
0,2
0,4
0,6
0,8
Druc kpunkt lage
1,0
Bil d E-76 Gegenseitige Beeinfluss ung wi chtiger aerod ynam isch er Größen an einem Mo noposte (Formel
Rena ult), n ac h [E03]. Für d rei unt erschied lich e Abt ri eb seinstel lu ng en sind Druckpunktlage. Abtriebs - und
Luftwiderstand sbeiwert genannt.
V Fahrz eug schwe rpunkt
genommen, weil durch die höhere Trakt ion bessere Rundenzeiten erzielt werden. Bemer-
kenswert an d iese r Stelle ist. dass professionel le Fah re r ein e Flügelverst ellu ng von ber eits
)O{!) spüren .
Effizienz. Ein Kennwert der Abstimmung ist das Verhältnis Abtrieb: Luftw iderstand ode r
CA 1cW' die so ge nan nte aer odyna mische Effiz ienz taemdynamic efficiency). Je höher dieser
Wert ist, um so besser; er ist der Maßstab für den Erfolg der Aerodynamiker. Aber wie so
oft, ist ein einzelner Kennwert nicht aussch laggebe nd für die Güte des Gesamtfahrzeugs.
Die kleinsten Rundenzeiten werden aufextrem sch nellen Kursen nicht in der Abstimm ung
mit der höchsten aerodynamischen Effizienz err eicht, sondern niedrige cvrWerte führen bei
gleicher Effizienz zu schnelleren Runden. Im Gegensatz dazu verhält sich die Abstimmu ng
erwartungsge mäß bei Strecken mit vielen engen Kurven und kurzen Geraden: Steigert man
den Abtrieb im gleichen Maß wie den Luftwidersta nd, d .h . die Effizienz bleibt gleich, so
verkürze n sich die Rundenze iten [EOS].
Für Formel-I -Fahr ze uge liege n die Werte von cA1cW zw ische n 2,54 und 3,13 [E13].
Lc-Mans-Prototypcn erreichen Werte von 4 : I [E( 4). Das zeigt die gcz icltc Auslegung in
Richtu ng Abtrieb. Bei Fahrzeuge n mit enorm hohen Motorleistungen ergeben sieh andere
Entw icklungsziele als nur den Luftwide rstand zu senken. Die Motorisie rung erlaubt theo-
retische Höchstgeschwindigkeiten, die auf den verhältnismäßig kurzen Geraden der Renn-
strecken ohnehin nicht err eicht werden können. Typische Gera de auf Rundkursen sind etwa
1000 bis 2000 m lang. So fallt den Herstellern die Entscheidung leicht diesen Überschuss an
Leistung in Abtri eb umz umilnzcn.
7 Auslegu ng und Ab stimmung E
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-c 38 .L_---;
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-;-_
Bild E-77
Abtr iebsau/teilung zweier Gene -
rationen eines Prod uktionssp or t-
wagens (Bentley EXP Speed 8),
nach [E04J .
Für versc hiedene Fahr zuständ e
ist der jeweilige Anteil vom Ge-
sam tab trieb an der Vorderachse
aufgetragen. Der jünger e Wagen
(2003) we ist eine wesent lich aus-
geg lichenere A u/teilung auf als
sein Vorgänger (2QQ2),
. olle Be-
SChleunigung
SChnelle
Kur. ,
Fahrzustand
Höch stge·
sCh_i ndigkUt
Ba lance. Generel l ist e ine Ausleg ung anzust reben, d ie übe r den gesamten Geschwi ndigke its-
ber eich und vor a lle m bei untersc hied lichen Fahrz ustä nde n ein ausgewogenes Fahr verhal ten
sichert. Das erleichtert Fahre r und Fahrzeugingenieur die Abstimmung. Maßgeblich hierfür
ist die aerody nam ische Balance (aero spUt), also die prozent uale Aufte ilung des Abtr iebs
auf vorder- und Hinterachse, also z. B. cA.r!ck Bild [-77 illust riert die Entwicklung der
Abtr iebsau fte ilung eines Produktionssportwagens an zwei Generationen. Das ältere Modell
(2002) erzeugt am meiste n Abtrie b an de r Vorderac hse bei Höchstgesc hw indig keit. Die
Bodenfreiheit betrug in dem Zustand nur noch 15 mm und entsprec hend effektiv arbeitete
der Frontd iffusor. Umgekeh rt verlagerte sich bei volle r Besc hleunigu ng im zwe ite n Gang
die Achslast nach hint en und der Vorderw age n w urde angehoben. Zusätzlich verschiebt sich
in eine r solc hen Situation die Abtriebs auftei lung ebe nfalls nach hinten . Beides verstä rkt die
Unte rste uerte ndenz und hindert den Fahrer dar an das Potential der Reifen bei m Verlasse n
einer Kurve ausz uschöpfen. Der Nachfolger (20tlJ) - der Lc Ma ns Doppelsieger 2003 übri -
gens - zeigt ei n wese ntlich ausgcwogencres Zusamme nspiel von Fahrze ugschwerpunkt und
aero dy namischer Ba la nc e.
Der Druckpu nkt (oder Druckang riffspunkt, cenfre of pressur ev ist jener Punkt am Fahr-
zeug. dur ch den theoretisch die Wirku ngslinicn aller aerodyn amischen Kräfte verla ufen.
Seine Lage besti mmt also z um einen die Abtriebsaufteilung zwisc hen den beiden Achse n
und zum anderen die Gier-Wirkung eines Seitenwinds.
Die Abtriebskrä ftc an Vord er- und Hinterachse sollen im Idealfall den stat ische n Achs-
lasten entsprechen. Dadurch ändert sich durch Abtriebskräfte das g rundsätzliche Fahr-
verhalten des Fahrzeugs nicht [Ei l]. Die idealen Abtriebshilfsmittel müssten ja direkt auf
die Räder wirken u nd w ürden so nicht Radaufhä ng ungsteile (Fede rn. Dämpfer, Lager• ...)
zusätzlich belaste n. Der Druckpunkt muss de mnach für ein ausgeglichenes Fahrver halte n
in der Nähe des Fah rzeugsc hwerpu nktes sein. Für das Fahrzeug im Bild E-76 soll er so
z. B. immcr zwischen 50 und 60 % des Radsta nds sein. Bci praktischen Ausführungen
wird die Abstimmung dadurch ersc hwert, dass die Abtriebskräfte an de n Fahrzeuge nden
mit steigende r Gesc hwindigkeit nicht im sclbc n Maße zunehme n. sonde rn d ass die Fahr-
zeugfront gü nstigere Verhältnisse vorfindet als das Heck (von Fahrt en im Verkehr einmal
abgese hen). Mit größer werdende r Gesc hwindigkeit nimmt der Abtrieb des Frontflügels z u
und der abnehmende Bodenabstand verstär kt diese Tendenz noch. Das führt z u (äuße rst
ungclicbtcn) Übersteue rn im Hochgeschwindigkeitsbereich. Die Flügel werde n z ur Abhilfe
E Aerodynami k
Druck unkt
Luftkraft
{ ====~;;~~f~~~\
bewir kt
r uc kdr ehendes
Moment
".
Bild E-78 Stab ilisierungswirkung einer Heck flosse. Die Fläche de r g roßen H ec kflosse verlage rt den
Druckpunkt (Luftangriffspunkt) zugunsten de r Richt ungsstab ilität nach hinten.
V Schwe rpunkt des Fahrzeugs .
dieses Phänomens so eingeste llt, dass de r Abtrieb des Heckflügels stärker ansteigt als des
Frontflügels.
Ocr Druckpunkt ist aber nicht für die Vertikaldynamik des Wagens von Interesse , son-
dern er beeinflusst auch wesentlich die Querdy namik. Für stabiles Fahrverhalten bei Seiten-
wind und bei großen Gierwi nkeln muss der Druckpunkt hint er dem Schwerpunkt liegen,
lJild 1<: -78-
Liegt der Druckpunkt hinter dem Schwerpunkt erzeugt die Luftkraft ein stabilisierendes.
rückdrehendes Giermoment. Diese günstige Verlagerung des Druckpunkts zum Heck hin
beeinflussen große Endplatten am Heckfl ügel. Heckflos sen aber auch hohe Moto rabdc -
ckungcn und hochliegende Lufthutzen. wie sie an vielen Monoposti zu sehen sind.
Im Allgemeinen ist Abtrieb im Bugber eich des Wagens, wo d ie Luftströmung noch wenig
beeinflusst ist, leichter zu erre ichen als im Heckbereich. wo Fahre r, Motorabdecku ngen und
diverse Aufba uten d ie Strö m ung abgelenk t und gestö rt haben. Die Mittel hierfür sind Ai r-
damspo iler, Splitter und Flügel.
Der ers te Entw icklungssch ritt am Fah rzeugheck von Hochgeschwindigkeitsfah rzeugen ist
die Reduktio n des Auftrie bs. beispielsweise mittels Spoiler ode r Flügel.
Neben dem Testen auf der Rennstrecke werden vor allem in der Entwicklungsphase
Unters uchungen im Windka nal durchgeführt . Führende Teams benutzen I : I Windk anäle
m it Förderbände rn. die die Relativbeweg ung zw ischen Fah rzeug und Fah rbah n berücksich-
t igen lassen. A m gez iehesten lassen sich Erkennt nisse mittels Sim ulat ion gewinne n, Bild
[ -79. Moderne Rechenprogramme ermöglichen zusammen mit dreidimensionalen CAD-
Fahrzeugmodel1 en die Berechnung der Fahrzeugumströmung. Der Versuch und die Mcs-
7 Auslegu ng und Ab stimmung
Bild E-79 CFD (Compu t ational Fluid
Dynamics)-M od ell eines Penntahrzeuqs.
Je höhe r der Druck durch d ie Anströmung.
desto dunk ler ist die Fläche gefärbt.
sung ergänzen hierbei einander. Der Windkanal liefert die Größenordnung von Werten und
die Simulationsrechnung erklärt die qualitativen Einflüsse von Änder ungen am Fahrzeug.
Nickem pfind lic hke it pitch sensitivity: Die Empfindlich keit ei nes Rennwagens gegenü-
ber den Bewegungen um seine Querachse (Nicken (s. Anhang) oder Stampfen) bestimm t
zum großen Teil sein Handling. Bleibt trotz der wirkenden Nickkräfte die aerody nami-
sche Balance im gew ünschten Bereich, spricht man von geringer Empfindlichkeit. Eine
geringe Empfindlichke it zu er reichen ist nicht so einfach, ändert sich doch de r Abtrieb mit
änderndem Bodenabstand bei Flügeln und Diffusoren erheblich.
Die Empfindlichkeit gege nüber Nicken hat größeren Einfluss auf das Fahrverhalten eines
Wagens als diejenige gegenüber Gieren (um die Hochachsc) und gegenüber Wanken oder
Rollen (um die Längsachse). Zum Teil lässt sich dem Nicken mit der Fahrwerksauslegung
entgegenwirken. Durch entsprechende A nordnung de r Nickpole von Vorder- und Hinter-
achse kann ein Brem s- und Besch leun igungsnicka usgleich installiert werden, vgl. Kapitel
H 2.2 . Der Wagenboden bleibt dan n im Idealfall im gewü nschten Winkel zu r Fah rbahn.
Die Auslegu ng des Fahrwe rks z ur Unte rst ützu ng de r ae rodynamischen Eigenschaften eines
Fahrzeugs ist somit ein zentrales Entwicklungsziel.
Die jetzigen Formel-l -Wagen mit dem gestuften Boden dürften kaum nicken.
Wind schatten slipstreom, Bei der Entw icklung eines Rennfahrze ugs. das mit meh reren
Fahrzeugen gemeinsam auf der Strecke ist (Rundstrecke), wird auch die Betrachtung einer
Windschatt enfahrt bedeutend . Im Windschatten eines Fah rzeugs ändern sich d ie Umst rö-
mungsverhältnisse eines Wagens und reduzieren die Abtriebskräfte je nach Längs- und
Qu erabst and vom vora usfahrende n Wagen bet rächtlich. Das betr ifft vor allem die Abtriebs-
kräfte an der Vorder achse, die bei Fahrt unter 3 m Längsabstand ohne Seitenversatz gegen 0
(!) gehen können [E I5]. Der Luftw iderstan d des Verfolgers wird a llerd ings ebenfa lls redu-
ziert, weshalb dieser schneller fahren kann. Aber auch der vorausfahrende Wagen bleibt
nicht unbeeinflusst. Für ihn kann sich der Luftwiderstand bis zu 30 % reduzieren (!) [Eux].
Dadur ch können Fahrzeuge in einem dichten Bulk schneller fahren als alleine. Der Heckab -
trieb wir d tend enziell ger inger, j e d ichter der Verfolger auffah rt. Ähnlic he Effekte t ret en
bei Ser ienfahrzeugen zwar auch auf, allerd ings sind die Abstände zw ischen den Wagen
(üblicherweise) wesentlich größer, so dass sie sich kaum bemerkbar machen.
E
F
Außenhaut
Bodywork
Der Außenhaut kommen weit mehr Aufgaben zu als bloß die Innere ien abzudecken. Sie
beinhaltet viele Aerodynamikfunktionen und prägt wie keine a ndere Baugruppe die
Gesamterscheinu ng des Wagens auf den Betrachter.
1177
F Außen haut
1 Begriffe Term s
Zu Begin n sollen einige Begriffe zeigen, das die Außenhaut das äußere Erscheinu ngsbild
vorg ibt und ih re Gesamtabm essungen vom Geset z bzw. Reglement erfasst werden.
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Ö l.=k-T
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Bil d f·1 Maße an der A ußenhaut.
LI Fahrzeuggesamllänge . H t Gesamthöhe,/ Radstand . hs auch Bauchtreiheit, ß . bzw. Pr Überhangwinkel
vorne bzw. hinten, ß Ram P*J Rampenwinkel, ' Ü,l bzw. o. Ü berhang v orne bzw. h inten, Bodenfeiheit h sooen
und h 'Boden '
2 Anforderungen Requirem ents
Bei der Gestaltung de r Auße nhaut bzw, de r Karosser ie müssen zunä chst gesetz liche Vor-
schriften und Regleme ntvo rgabe n beachtet werden. So sind festgelegt bzw. eingeschrä nkt
die Lage von Leuchten. Stoßfä ngern. Crashele mente. Fenste r und Türen bzw. Klappen.
Darüber hinaus ist die Brandbeständigkeit der eingesetz te n Werkstoffe wichtig.
Bei alle r Ästhetik und Aerodyna mik soll die Auße nhaut das Ein- und Aussteigen ermög-
lichen und nicht behindern. Bei Einsitzern mit offenem Cockpit beispielsweise muss es
dem Fahrer bei sä mtlichen Reglements möglich sein innerhalb von filnf Sekunden aus der
fah rber eiten Position (a ngegu rtet, Hände am Lenk rad) das Fahrze ug ohne fre mde Hilfe zu
verlassen . Be i gesc hlosse nem Cockpit gibt es diese Regelu ng seltsamerweise nicht, aber
dennoc h kan n der einfache Ein- und Ausstieg ein Thema sein. Bei Langstrec kenrennen
wechseln die Fahrer einander ab und je problemloser und schneller der ausgeruhte Pilot
hinter dem Steuer sitzt, desto besser.
Außenhautteile weise n einen gewissen Überhang vorne und hinten auf. Dabei ist auf
ausreichende Bodenfreiheit und ange messenen Böschu ngswinkeln zu achten.
Zur Bodenfreiheit gibt es eine inte ressan te Regelung: Wenn auf einer Fah rzeugs eite bei
beiden Rädern die Luft abgelassen ist, dar fkein Fahrzeugteil die Fahrbahn berühren (FIA
An hang J, Art 252 2.1).
Bei umschlossenen Rädern müsse n die Radausschnitte groß genug sein, dam it Fed ern
der Räder und Einschlagen de r Vorderräde r oh ne Berührung möglich sind . Die Räder rnüs-
3 Gest altung
scn auch ausreichend umschlossen sein. Die Radhausentlüftung wird dabei aus aerodyna-
mischer Sicht wichtig, siehe Kapitel E 2 und 6.
Aerody namische Überleg ungen und Effekte kommen auc h an zah lreichen andere n Stel-
len zu m Tragen. Der Luftwiderstand soll möglichst klei n sei n für größere Beschleunigu ng
und höhere Endgeschwindigkeit. der Abtrieb wiede rum tu nliehst hoch. Dadurch, dass das
Fahrzeug auch einen Schwimmwinkel au fb aut und ein Wind auch von der Seite einwirken
kann, ist di e Red uzi er un g der Seite nwindempfind lichkeit besonde rs bei hohen Geschwin-
digkeiten bem erkenswert. Gczicltc Beeinfluss ung der St römu ng bzw. überlegtos Platziere n
von Öffnun ge n u nd Abweisern verhindert ra sc he Sc hcibcnvc rschm utz ung und ermög lic ht
Kü h ll uftz u- sowie Abfuhr z u Wär met a usche rn (s ieh e Ka pitel E 6 Wärmeahfuhr und Ent/~r
tung) und Bremsen sowie Verbrennungsluftz uf uhr zu m Motor . Bei vielen Fahrzeugen ist im
Unte rbodenbereich eine z uverläss ige Abgasf ü h r u ng sicherz ust el len.
Festigkeitsbetrac htungen sind an den Bereichen, die keine tragende Funktion haben
untergeordnet, denn och muss vor allem bei großflächigen Teilen das Sehwing-, und Beu l-
ve rhalten be rücksichtigt werde n.
Nicht zu vergessen ist letzt en dli ch die Äst hetik: Ein schnittiges Ausse he n wird von Spo n-
soren und Publikum gleichermaßen honoriert.
F
Bil d F-2
Mot or ab d eckunq an einem For mel-Fahr zeug.
Oie Abdeckunq b einhaltet die Verk leid ung der
Lu ftzufuhr zum Moto r, d ie Verkleid ung von Wär-
metauschern, Küh lkamine, Z usatzf lügel und Luft -
Leitflächen. Die Innens eite ist teilweise m it Wär-
mesch utz folie bek lebt.
3 Gestaltung Design
Der Entwurf der Auße nhaut geht von de n Daten der Innenraumgestaltung und der Aggre-
ga tano rd nung aus u nd berücks icht igt dabe i aerodyn amische Gesichtspunkte. G ru nds ätz lich
bieten sich zwei Baufor men an:
differenziert ,
•
integriert.
Diffe renz iert differentiated. Die Außenhaut wird von separate n Teilen, d ie über den Rah-
men gest ülpt we rde n, geb ildet. Ein Beisp iel daz u zeigt Bild F-3 .
Vorteile: Es können leicht unt erschiedliche Aus füh runge n für unterschiedliche Strec ken
bere itgestel lt we rden . Nach Kollisione n mü ssen nu r beschädigte Teile geta usc ht werde n.
Nac hteile: Die z usätzlichen Teile be de uten auc h z usä tz liche Masse. Darübe r h in a us we r-
den Halter z um Rahm en , Verbindu ngen und Übcrlappungcn benötigt.
F Außen haut
Bi ldF-3
Aoeeorecuene eines
Produktionssportw agen s
(O sena PA 20 S),
Im Vordergr und (mit der Start -
nummer) ist jener Teil, der über
das Coc kpit gestülpt wi rd. Da-
hinter liegt der Buqteit der am
Fahrzeug vor dem Cockpitteil
die Vorder räd er umschließt. Seit-
lich daneben ist die Motorab de -
c kung abge legt.
Bild F- 4
Montage der Mo to rabdeckunq
eines Produktionssp ortwagens.
Die Motorabde ckung w ird über
de m Mo torraum abgesenkt u n d
mit Exzenterverschlüssen mit
den übrigen Außenhautteilen
ve rb und e n. Am vorderen Ende
der Motorabdeckunq kann man
die Wülste zur Lagefixierung
zum davor l ieg end en Cockpitle il
gut erkenne n.
Integr ler e integral . Bei dieser Bauform gibt das Chassis bereits selbst die Auße ngest alt vor.
Ein Beispiel ze igt IJild F-5 .
Vorte ile: Die Mas se ist im Vergleich zur vorhergehe nden Bauweise ge ri nger. Schnittstel -
len sa mt Verschlüsse n entfalle n.
Nachteile: Nachträg liche Ände ru ngen beispielsweise z ur Anpassu ng der Kühlung ode r
des Abtriebs ist am bestehenden Chassis praktisch nicht meh r möglich. Kolli sionsschäden
durch einen Unfall sind wesentlich reparat uraufwändiger.
Bei der Gestaltung der Auße nhaut dar f in kein em Fall die Herst ellung außer Acht gelassen
werden . Das beginn t bere its bei der Aufteilung in einzelne Abschnitte bzw. Teile. Die Teile
sollen handlich sein . was nicht nur Montage und Demontage sonde rn auch den Formenbau
erleichte rt. Bei Unfällen kann so auch der Schaden begr e nz t blei be n. Die Teilu ngslinie n.
mit denen die Außenhaut in einzelne Abschnitte aufgeteilt wird . wird man - wenn die Wahl
frei ist - so legen. dass du reh Entfernen nur eines Teils Wartu ngs- und Einstellbe reiche
zugäng lich werde n. Stoßen zwe i Teile a neinande r. so unte rst ütz t ein Versatz den Ansch luss
des Nac hba rteils . vgt. auc h Bild F- I J. Entfor mu ngssc hräge n we rden bei den bevorzugten
Ferti gu ngs ver fa hren von Auße nha utte ilen und Monocoques sowohl beim Direkta bfo rmen
von Negativformen als auch beim Herstellen über ein Positivmodell erfo rderlich.
3 Gesta ltung
F
Bild F-5
Bug eines Formel wage ns
(Formel Renault).
An das Monocoque wi rd die Nase
d irekt angeschrau bt. Diese Außen -
form wird also vom Chass is selbst
vorgegeben. Nur an der Oberse ite
bleibt ein Bereich , der für Montage
und Setup (Dämpfer, Fed er, Stab i-
lisator) zugäng lich sein muss und
der noch mit einem zusätzlichen
Deckel abgedeckt wird , Bild F-6 .
ene r-e
Montage de r B ugabdeckung eines
Fcrmelwaqens.
Die Wartungsseite des B ugs aus
Bild F-5 w ird m it einem einzigen De-
cke l verschlosse n. Der Deckel w ird
mit Sch nellverschlüssen fixiert.
Die Karosserie und Verkl eidung mag am Rennfah rzeug z usätzliche Masse d ar stellen, die-
se Bauweise ermöglicht jedoch die aerody namische Entwicklung und Abstimmung relativ
kurzfristig streckenabhängig ZU gestalten. Nicht zuletzt aus dem Grund finden sich auch
an Fahrzeugen mit Monocoques Abdeckteile. die weite re Funktionen integ riert haben , wie
z. B. die Motorabdcc kung, Bild F-2.
Versc hlüsse fastener. Verkleidungsteile. die zu Wartungszwecken entfernt werden müssen ,
werden mit Schnellverschlüssen befestigt, z. B. Dzus-Vcrschlüssc, Stifte . Rcnk vcrschliissc.
Solche Verschlüsse bestehen im G runde aus zwei Teilen. die verliersteher jeweils am Rah-
men und an der Auße nhaut befestigt sind. Beispielhaft für die vielen existiere nden Va ria n-
ten zeigt Bild F-7 einen solchen Schnellve rschluss . Bei der Montage wird der Zapfen (I)
gegen die Fede rkra ft einged rückt und im Verschlussu nte rtei l (6) durch eine Vierteldrehung
vorgespannt und verrastet. Die Demontage erfolgt in umgekeh rter Reihenfolge.
F Außen haut
3
2
•
5
6
", """""~
Bild F-7 Schnellverschluss quarter-turn taslener.
Der Verschl uss wird über eine Vierteld rehung ge-
sc hlos sen .
1 Verschlussza pfen. 2 Führ ungshülse mit Fede r,
3 Außenhaut. 4 Rahmen, 5 Slcherunqsscheibe,
6 Verschlussun ter teil
Mit solchen Schnellverschlüssen lassen sich auch andere Teile am Fahrze ug befestigen . Je
nach Gewicht und Größe der zu fixie renden Teile gibt es zahlreiche Verschlüsse. d ie für
ihre n Einsatzz weck optimiert worden sind. Die folgenden Bilder zeigen ein ige Beispiele.
Bild F·8
Schnel lversch luss a n ein er M ot o rhaube (bonnet,
AE: hood) eines Tourenwaqens.
Rahmensemq bef inde t sich ein Einschra ubza pfen
(Bild F-9) mit einer Ouerbotuu nq . Auf der M otor-
ha ube sitzt d as Gegenst ück. e in Dorn mit Siehe-
ru ngsring. de r in einer Führung steckt.Jm Bild ist d ie
geöffne te Stellung geze igt. Z um Schließen wir d der
Dorn durch die Bohrung gesteckt und der Siehe-
rungsr ing übe r den Einschrau b zapfen geklappt.
Bild F-9
Einschraubzapfen für Schne llversc hluss .
Zu so lch einem Z apfe n g ehö rt ein Verschluss wie
in B ild F-8 . Dieser Zap fen ist im Frontenoterech
e ines Tourenwagens eingeschraubt.
3 Gestaltung
Bild F·1 0
Schnellverschluss an einer Mo-
torhaube eines Tourenwagens.
Eine einfache Variante des ver-
scbfusses von Bild F~8. Durch
den rahmenseiligen Zapfen wird
ein Vorstecker, de r mit einem Ny-
lonfaden vor dem Verlieren ge-
siche rt wird , gesteckt.
F
Bild F-11 Exzenterversch luss (over-cemre catch) eines Produktionssportwagens (Norma N20).
Der Verschluss wird beim Schließen am Aump foberte il tern linken B ild entfern t und nicht zu sehen) ein-
gehängt und vorgespannt. Die beiden Wülste an der Stoßfläche d ienen der Lagefixierung des Obertei ls,
indem sie in entsp rechende Vertiefungen des Gegenstücks greifen,
Bild F·1 2
Exzenterversch lüsse an der Au-
ßenhaut eines Produktionssport-
wagens {Norma N20}.
Im B ild ist der Stoß an der linken
Fahrzeugfront zu sehen. Hie r
treffen der Bug (mit dem Rad-
ausschni tt und der Radhausen-
tlüft ung). der Coc kpi trand und
der Rumpfunterteil aufeinander.
Diese drei Außenhaut teile wer-
den an dieser Stelle mit zwei Ex-
zenterve rschlüssen mite inande r
ve rb unden.
F Außen haut
wagenboden undertroy. Ocr Boden soll mög lichst eben und glatt sein. Eine Neig ung von 1°
bis 2° reicht für Erzeugu ng eines Unterdrucks bei glattem Unterbode n aus, Bild F-t3a. Die
Fahrzeugfront ist dabei näher aß derFahrbahn als das Heck. Der Wagenbode n ist also geneigt
und wirkt in Verbindung mit der Fahrbahn wie ein langer Diffusor, der die Luftst römung
erleichtert. Bei der idealen Form der Wagenunterseite (Bild . '-l3b) wird die Luft zunächst
unterdem Bug reibungslosbeschleunigt und der Druck sinkt. Im Heckbereich wird durch VCT-
mind ert e Nachströmung der Luftwiderstand des Wagens reduziert. Außerde m strömt weni-
ger Luft über die Fahrzeugoberseite. weil ei n größerer Anteil den Weg unt erhalb nimm t.
Der Wagen darf bei ext remen Fahrzuständen keinesfalls metallisch aufsitzen. Das
führt du rch Entlastung eines Rads und fehle nde Seitenführung zur Instabilität. Es hat sieh
bewährt. defi nierte Verschleißstellen am Unterboden vorz usehen. Das können Holzbretteh en
am äußeren Rand sein. die beim Aufsitzen abgescheuert werden und somit nachgeben. Bild
F~t4. Bei einigen Fahrze ugen wird der ebe ne Unterbode nbereich durch ei ne du rchgehende
Spe rr holz platte gebi lde t.
~~~~~~~
•
b
Bild F·13 Gestaltung eines glatte n Wagenb oden s zur Erzeu gung von Ab trieb. n ach (F02].
a eb ener Unterb oden
b ideale Form der Wag enun ter seite
Bild F-14
Ver schl eißbrett am Unt erboden
eines Formel w agens (Reynard
D94 F3000).
Das Fahrzeug ist aufgebockt und
der Blick ist v on u nten auf den
r ec hten Seite nkasten ge richte t.
Am äußeren Bereich des Unter -
bod ens ist ein dreieck förm iges
Sp errholz bretl ang eb racht. Man
k ann neben dem Splitter unter
dem Rum pf auch den Seiten-
sp iegei und die vordere n Quer-
lenker erkennen.
Fürzweisitzige Renn-Sportwagen. also solche die ausschließlich aufde r Rennstrecke betrie-
ben werden. schreibt die FIA ein 20 mm dickes durchgehendes Brett vor. Bild F· tS. Der
Werkstoff ist nur in sei ner Dichte eingesc hränk t. Diese muss zwischen 1.3 und 1,45 g/cm-'
liegen. Das Brett muss glatt ohne Öffnungen sein. mit Ausnahme je ner für die Befestigung.
Die Befestigungscl emente (Schrauben. Niete• ...) dürfen die Unterseite nicht überragen.
Auch für Formcl-I-Fahrz cuge bestehen äh nliche Vorschri ften. Bild F· 16. Bei diesen wird
allerdings das 10 mm dicke Bodenbret t nach dem Rennen an bestim mten Stellen aufseinen
Verschleiß hin unt er sucht.
1841
3 Gestaltung F
A
H-
200
wP»4Y_
Bild F·15
Gleitbret t (skid block) für Spor t-
wagen nach FIA [F05J.
Die Platte ist am Unterboden be-
festigt und an ihren Enden ab ge -
schräg t. Sie reicht von M itte Vor-
derachse bis Mitte Hinterachse.
•
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o
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1
5x
200
(~~~grÖBert<;;='l='l==~~-P
1500
A.A
L
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~f-I--
2250
J I330
-
2
Bil d F· 16 orenoreu für Formel-t -Fahrza uqe, nach FIA.
Das Brett m uss symmet risch entlang der längsachse des Fahrzeugs angeb racht werden. Es endet
genau auf de r Höhe M ille Hinter räd er. Der Ab rieb wi rd nach dem Rennen in den 50 und 80 mm großen
Boh r ungen gemessen.
F Außen haut
Bodenfreiheit ground cleara nce. Eine geri nge Bode nfre iheit hai den Vorteil. dass nu r
wenig Luft unte rhalb des Fahrzeuges strö mt und so Auftrieb red uzie rt wird. Damit diese
Bodenfr eiheit in engen G renzen bleibt, müssen die Fahrbahn ebe n und die Federu ng steif
sein. Reglements schreiben oft vor, dass kein Teil der gefederte n Masse tiefe r als der Unter-
boden sei n dar f. mit Ausna hme des Gleitbretts [F05].
Für ei nige Fahrzcugkat cgoricn ist auch ei ne Mindcstbodcnfrcihcit vorgeschrieben. d ie
durch Schiebe n eines Blocks mit definie rte r Höhe unte r das Fahrze ug überp rüft w ird.
Ein möglicher Luftverlust in einem Reifen muss z umindest bei einigen Reglements
ber ücks ichtigt werden , siehe Absc hnitt 2 Anforderunge n.
Interessant sind Ergebnisse ei ner Unters uchu ng an konventionellen Fahrze uge n mit une-
benem Unterboden: Abtrieb wird dann erzeugt, wenn die Bodenfreiheit in folgende m G rö-
ßenbereieh liegt [ Fü2l :
0,125 ' Radstand -e Bodcnfrcihcit c 0,6 . Radstand
Bodenfreiheiten. die kleiner als 0,125 ' Radst a nd sind führe n umgekehrt soga r zu Auftrieb
des Fah rze ugs.
Der Durch schnittswert der Bode nfr eiheit solcher Fahrze uge liegt a llerdings außerhalb
dieses Bereichs, nämlich bei etwa 0,05 . Radst and. Das verdeutlicht, waru m Serienfah r-
zeuge mit ihren unebenen Unterböden Auftr ieb generiere n.
Bei Rennfahrzeugen ist die Bodenfreiheit zwar wese ntlich geringer, der Unterboden
jedoch ideal ebe n, weshalb diese Fahrze uge auch durch den Unterboden imsta nde sind Auf-
t r ieb zu erzeugen.
Einige grobe Zahlenwerte folgen nachstehend zu r O rientierung. Grob deshalb, weil auch
der stat ische Bode nabsta nd und damit zwangsläufig die Bodenfreihe it im Zuge de r Abstim-
Bild F· 17 Splitter an einem Formet-t -Be nntahrzeuq (B MW W illiams).
Das Fahr zeug ist in der Seitenans icht zu sehen. Die Fahr trich tung ist nac h links. Der Splitter i st hinter
den Vorderrädern u nterhalb des hochgezogenen Bugs angebracht. Der Abstand zur Fah rbahn betr ägt
in Konstruktionslage ca. 30 mm . Man beachte auch die Tropfenfor m der vorderen Kante. die den Splitter
gegen Schr äqanströ mcnq unem pfindlich er macht.
4 Werkstoffe
mung verände rt wird und weil die Boden freih eiten vorne und hint en absichtlich unter-
schiedlich sein können. Prod uktionssportwagen Merccdcs C291 (1991) ca. 46 mm [F04l ,
Mcrccdcs C-Klasse (DTM '94) ca. 40 mm [F04] , Formel Ford vorne 45 mm und hinten
70 mm , Formel l teilweise unter 25 mm [F06], Ferrari FI-2000 vorne von 14bis 20 mm und
hinten zwischen 50 und 61 mm [F07].
Öffnungen orifices. Bei ge schlosse ne m Cockpit mü sse n a uch Ö ffnu ngen für Sichtbe reiche
(Windsc h utzsc h eibe u nd Scitc nschcib cn) mitsamt den fü r ihre Montage erford erlichen
Dichtu ngen eingeplant werden.
Die Windschut zscheibe t windscreen. AE: winds hield vist bei Touren wagen oft da s Se rien-
teil bzw. es wird vom Reglement eine Verglasung mit Straßenz ulassung gefordert. Vielfach
wird noch eine zusätzliche Halterung zur Serienlösung empfohlen. Die Verglasung bei Pkw
ist entweder ein Einseheibensieherheitsgla s (ESG) oder ein Verbundscheibensicherheitsg las
(VSG) und in jedem Fall relativ schwer. Deshalb lau fen auch für Serienfahrzeuge Bestre-
bunge n die Dicke der Verglasu ng zu senken. ESG wird gegenwärtig mit etwa 3,15 mm ver-
baut und VSG, das aus zw ei Scheiben getrennt durch eine Kunststofffolie besteht, mit etw a
5 bis 6 rnm . Vereinzelt sind Dickenreduktio nen ei ner Einz elscheibe auf etw a 2,1 bis 1,6 mm
durchgefüh rt worde n. Die Paarung 2,1/2,1 mm stellt aber derzeit die Untergrenze fiir VSG
aus mecha nischen und acreakustischen G ründen da r [F01].
Für Tourenwage n sind beheizbare Scheiben lieferbar, die ihre Vorteile bei feuchter, kalter
Witterung ausspielen. Für Langstreckenfahrzeuge (GTI, GT2, Lc-Mans-Scric) werden auch
Abreißfolien aus Kunststoff- ähnlich den Folien auf Visieren von Schutzhelmen - auf den
Windschut zscheiben ei ngeset zt. Bei einem Boxenstopp kann ein Mechaniker so rasch die
gesamte Scheibe durch Ablösen der obersten Folienlage von sämtlichen Verunre inigungen
befrei en.
Manche n Produktionssportwagen wi rd auch von der FIA eine Windschutzscheibe aus
starrem Kunststoff gestattet. Bei seitlichen Öffnungen können in vielen Ren nserien Voll-
kun ststoffscheibe n eingese tzt werde n.
An Rallyefahrzeugen wird von der FIA verlangt, dass Scitcnschcibcn, die nicht au s Ver-
bund gla s bestehen, mit durch sichtiger Ami -Splitt ersiche rheitsfolie bekleb t werde n. Die
Stärke dieser Folie darf 0,1 mm nicht überschreiten .
Werkstoffe. Einschcibcn sich c rhcitsgl as : DIN 1249-12 bz w. E EN 12150. Verbu nd -S iche r-
heitsglas: DIN 52337 bzw. prEN 12600. Kunststoffscheiben bestehen aus PC (Polycarbonat ,
Handelsname z. B. Mak roion, Lexan) und werden im Spritzprägeverfahren hergestellt.
4 Werkstoffe Materials
Für die Herstellung der gro ßflächigen Auße nha uttei le kommen folgende Werk stoffe zum
Einsa tz:
Faserverstärkte Kunststofflaminat e: Die Mat rix bilden dabei Polyester- od er Epoxyd-
harze. Die Verstärku ng übernehmen Glasfasern (GFK), Kohlefasern (C FK) und Kcvlarfa-
sern (AFK).
F
F Außen haut
Der Herstellprozess besteht grob aus Modellerstellung. Formenb au und Abformen. Er
wird im Kapitel 0 2.3 Mon ocoques au s Fase rverb undwerkstoffen näher beschrieben.
Es werden aber auch Metalle, so etwa Aluminium- oder Magnesiumblech für Teile
hera ngez oge n.
---
-
Bild F· 18 Aufbau ein es Aowe.sers (tota Zytec F3000).
Dieser Abweiser vor d em rech ten Hinter rad ist zw ar besch ädigt. aber dad urch wird sein A ufbau erst
sichtba r. Zwischen den Decklagen aus CFK-Matlen so rgt ein Kunststoff -Wabenkern für den steifigkeits-
erhö henden Abstand zwischen den äußeren Stru kturen.
188 1
Reifen und Räder
Tyres and wheels
Während Räder noch wege n ihrer ästhetischen Wirku ng im allge meine n Blickfeld stehen,
wird den Reifen von den Zuschcm an der Rennstre cke kaum Beachtu ng geschenkt. Auch bei
Serienfahrze uge n sind die Verhältnisse nicht anders. Unters uchu ngen haben geze igt, dass
kaum ein Le nke r de n Fülldruck seiner Reifen regel mäßig kontrolliert. Dabei zählen beide
Teile zu den ungcfcdc rtcn Massen. s ind sicherheitsrelevant und der Reifen ist mit Absta nd
das wichtigste Einze lbaute il an einem Fahrze ug u nd be sonde rs an einem Wettbe werbsfahr-
zeug. Die Reifen übert ragen sä mtliche Kräfte auf de n Wagen, d ie seine gewü nschte Lage
zur Fahrbah n sicherstellen (die aerody nam ischen Kräfte unterstützen ihn hierbei bloß bzw.
wirken soga r störe nd in Fall eines Auft riebs an den Achsen oder bei Seitenwind), und sind
somit das begrenzende Glied im Gesa mtsystem Rennfah rz eug. Abgesehe n davon sind die
Reifen zugleich das a m schwie rigste n z u beherrschende Bauteil. weil es großen Deformati-
onen unterworfen ist und zusätzlich sei ne Eigenschaften sta rk mit der Tempe ratur und mit
dem Verschleißzustand. also bereits während eines Rennens, ä ndert.
G
G Reifen und Räd er
1 Begriffe Terms
Reifen werde n durch den Außendu rchmes-
scr, die Quersch nittsbreite. den Felgen-
durch messer und in vielen Fällen durch die
Quersc hnitts höhe charak ter isiert , Bild G-I .
Die Bet riebsbreite bT.max kann bis z u 6 %
größer als die Q uerschnittsbreite sein. Unter
Last fede rt der Reifen ein (statische Rei-
fcncindrück ung), Deshalb ist der statische
Halbmesser etwas klein er als die Hälfte des Außendurchmesse rs. Beim raschen Rotieren
des Reifens im Betrieb wächst der Halbmesser an. Bei 60 km/h wird dieser Wert als Vcr-
gleichsg röße hera ngezogen und dynamischer Rollradius genan nt.
Reifen Beg riff e
Radia lreifen Kenn zeichnun g
Sche ibenrä d er
Räder B efestigung
Felgen Kennzeichnung
Reifenh aup tma ße na ch DIN 70020 T5.
gendu rchmesse r rim aie me ter
ulweite nm width
Y"
hmesse r nominal diam ete'
er schn ittsbre ite see tion width, erm itte lt
Messfelge bei 1.8 bar (bzw. 2,3 bar bei
W- und ZR-Reifen) Föüoruck
uts t reite nb rerte tresä width
ne oe orene overall width
ßendurcbmesser out side diam eter,
m itteil auf Mes sfelge bei 1.8 bar (bzw.
bar bei V-, W- und ZR-Reifen) Fülldruck
er schn ittshöhe section height
necne genenemd rückunq szaec tyre
leetion
äseh er Reifenhalbmes ser s tete loaded
ius
narnischer Roll radi us dynamic ,ol/ing
ius
h
DIN 70020:
DIN 7803 rca s.
DIN 74 361 Teil:
DIN 74 361 Teil 2:
DIN 7829:
b,
b
Bild G·1
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Rad- u nd
I
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Felge firn:
"
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b,
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--
•
Siehe a uc
Q
o
e.
1 Begriffe
Retfenbezelchnungen tyre d esignation . Die Reifenke nnze ichnung nach euro päische n Nor-
men und Gesetzen gi lt für Pkw- und Lkw-Reifen bis 270 km/h und wird auf de r Seitenwand
des Reifens ausgewiesen, Bild G-2 .
Bild G-2 Einige gesetzliche und genormte A ngab en für Sfraßenfat uzeuoreiten.
G
1 Hersteller
2 Prod uktname
3 Gr ößenbezeich nung, siehe unten
4 Angaben zu Tragfähigkeit und Geschw indigkeit.
siehe unten
5 ncereee « schlauchlos
6 Genehm igung nach intern ationalen Vor-
schrif ten mit Prüfnummer (E - ECE R 30 Soll-
w er te. 4 - Land, das Genehmigung erteilt hat).
7 Herstellerco de: Fabrik , Reifenausführu ng, H er-
stelld at um (Produk tionsw oc he/Jahr: 43 Woche
2006)
8 Qepartme nt Qf Iransportation (US-Verkehrsmi-
nisterium)
9 T.w.1.
-
rreao Wear lncicatcr (Prcfüabnut-
zun g sanzeiger, Q uersteg e in Profilrillen, die
bei 1,6 mm Restpro fithöhe auft auchen)
10 Ang aben zum Reifenaufb au und ma x. Füll -
druck
11 Treadwe ar : relative Lebensda uer des Reifens
bezogen auf einen Ug-speziüschen Stan-
dardtest
12 rracuoo: A. B oder C. Nassbrems vermögen
des Reifens
13 Temperatu re: A. B od er C. Temperatu rfestig-
keit des Reifens bei höhe ren Geschwindig-
keiten
G Reifen und Räd er
Bezeichnu ngsbeispiel für die Gr ößenangabe und Tragfähigkeit ein es Radialreifens:
245/40 R 1888 Y
245 ~ Breite b-rdes Neureifens in mrn aufder Mcssfclgc bei einem Fülldruck von 1,8 bar
40 "" Q uersc hnitts ver hält nis in %
R '= Reifenbauart. R = Radialreifen (- = Diagonalrcifcn, 0 = Notrad}
18 = Felgendu rchm esser dnenn in Zoll
88 = Lastindex. legt die Tragfähigkeit fest (siche Tabelle 0 -1): max. 560 kg bei 2,5 bar
Fülldruck
Y = Geschwin digkeitssymbol (siehe Tabelle 0 -2): bis 300 km /h.
Bezeichnungsbeispiel für die Gr ößenangabe eines Diagonal reifens.
5.60 - 15/4 PR
5.60
=0 Reifenbreite in Zoll
= Diagonalreifen
15
Felgendurchmess er in Zoll
4 PR = Anzahl der Lagen(ist indem Fall 4).Angabe zur Karkassenfestigkeit. PR steht für
pI)' rating
Der Mindcstffllldruck von Pkw-Reifen wird bestimmt von der Radlast und der Höchstgc -
schwindigkcit des Fahrzeugs, siehe Tabelle G-I und G-2.
Tab. G·1 Tragfähigkeitskennzahle n (Laslindex)
Last-
Reifentragfähigkeit11 [kg] bei Fülldruck21 [bar]
index 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5
69
215 225 240 250 260 270 285 295 305 315 325
70
225 235 245 260 270 280 290 300 315 325 335
71
230 240 255 265 275 290 300 310 325 335 345
72
235 250 260 275 285 295 310 320 330 345 355
73
245 255 270 280 295 305 315 330 340 355 365
74
250 260 275 290 300 315 325 340 350 365 375
75
255 270 285 300 310 325 335 350 360 375 387
76
265 280 295 310 320 335 350 360 375 385 400
77
275 290 305 315 330 345 360 370 385 400 412
78
280 295 310 325 340 355 370 385 400 410 425
79
290 305 320 335 350 365 360 395 410 425 437
80
300 315 330 345 360 375 390 405 420 435 450
81
305 325 340 355 370 385 400 415 430 445 462
82
315 330 350 365 360 395 415 430 445 460 475
83
325 340 360 375 390 405 425 440 455 470 487
1921
1 Begriffe G
Last-
Reifentragfähigkeit1) [k9 ) bei Fülldruck2) [b ar)
index 1,5 1,6 1,7 1,8 1,'
2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5
84
330 350 365 385 400 420 435 450 470 485 500
85
340 360 380 395 415 430 450 465 480 500 515
86
350 370 390 410 425 445 460 480 495 515 530
87
360 380 400 420 440 455 475 4'0 510 525 545
88
370 390 410 430 450 470 485 505 525 540 560
89
385 405 425 445 465 485 505 525 545 560 580
'0
400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600
11Die L ast indize s sind für al le Pkw-Reifen b is zum Gesc hwi ndigke itssymbol . W · gült ig,
2) Der Fülldr uck bezieht sich auf eine Geschwindigkeit von 160 km/ h und Sturzwinkel bis zu 2°. FOrdie
tatsächlich am Fahrzeug an zuw endend en Drücke sind andere Kriterien wi chtig. wie Höc hstg eschwin-
digkeit. Fah rve rhalten usw
Über 160 km/ h m üssen d ie Fülldrücke linear um "'Pr erhöht werden ozw die Tragfähig keit red uziert
sich bei gleichem Druck entsprechend einer Abse nk ung um tlPT :
Gesch windi gkeit [km/hl
t.I>r [bar]
160
o
170
0,06
180
0,12
190
0,18
200
0,24
210
0,3
Die Maximaldrücke nach Tabelle G-3 d ürfen nicht überschritten w erden.
Bei St urzwin kel f über 2° müssen die Fülldrücke mit folgendem Faktor kp korrigiert d. h . mult ipliziert
werde n:
Stu rzw inkel e il
2,5
3
3,5
4
Korrekturf aktor kp [-I
1,03
1.07
1.14
(Zwisc henwer te sind linear zu interpolieren)
bzw. die Tragfähigkeit muss mit folgendem Faktor kQ korrigiert werden:
Stu rzw inkel e il
s2
3
4
Korrekturfaktor ko [-)
0.95
0,90
(Zwisc henwer le sind linear zu interpolieren)
Höchstgesch windigkeit
Gesch windig-
Höchstg e sch w indigkeit
Geschwindig-
des Fahrzeug s [kmJh]
keit ssymb ol
des Fahrzeug s (kmJh)
keitssymb ol
120
L
180
S
130
M
190
T
140
N
200
U
150
P
210
H
160
Q
übe r 240
ZR
170
R
Tab . G -2 Gesch wind igkeitssymbol und Tragfähigke il.,,
-,--
,
G Reifen und Räder
Tab. G·2 Geschwindigkeilss ymbol und Tragfähigkeit (Fortselz ung),
Höch stgeschwindigkeit
des Fahrzeugs [k mfh]
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
Geschw ind igke itssymbol und Ko rre kt urfaktor [-J
V
W
Y
0,97
0,94
0,91
0.95
0.90
0.85
0,95
0.90
0.8 5
Bei V, Wund Y gilt: Bei höheren Geschwindigke iten müssen geringere Tragfä higke ile n in Kauf ge nom-
men werden. D ie z uläss igen Tragfähigkeilen ergeben sich du rch Mult ipl ikation der Werte aus Tabelle
G -l mit den ange führten Ko rr ek tar rakto ren. Bei den nicht meh r hergestellten Z R- Reif e n wu rden diese
Werte von Fahrzeug- und Reifenherstel ler gemeinsam fes tge legt.
Bei höheren Ge schwin dig keiten sin d d ie a ngegebenen M ind estf ülld rück e (Ta belle G-1) a us Siche r-
heitsgründen um die angeführten Werte (ba r] zu erhöhen:
Geschwodiq-
keit [km/h]
160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 300
H 0 0,06 0,12 0,18 0,24 0,3
ceecrseo- V 0
0
0
0
0
°
0,1 0,2 0,3
dig keits-
syrnbol
W0
0
0
00.1020,30,40,50,50,50,5
Y0
0
0
0
0
000,10,20,30,40,50,5
Die Ma ximaldrücke nach Tabel le G-3 dü rfen nich t ü berschritte n werde n.
Die in den Tabellen G-) und G-2 angeführten Fülldruckwerte sind Mindcstwcrt c. Die tal-
sächlichen Drücke für optimales Fah rverhalten können höher liegen. Außerde m müssen die
Drücke z. B. wegen höherer Fahrgeschwindigkeit oder abwe iche nder Sturzw inkel erhöht
werden. Die in Tabelle G·3 angeführten Maximalwerte dürfen dabei jedoch keinesfalls
überschritten werden.
Tab. G-3 Grenzwerte für den Fülldruc k.
Geschwindigkeilssymbol
bis einschließlich T
H, V,W. Y,ZR
max. Fülldruck1) [bar]
3,2
3,5
1) bei kaltem Reifen bei Be triebsbeginn . D ie d urch d ie wakarbert he rvor gerufene Druckerhöhung darf
nich t d urch Ablassen von Luft ausgeglichen werden.
194 1
1 Begriffe G
.
/ ...-,
,
/
.: C)
/~
-,
10
110
Reifenbreite in Zoll
Außend urchmesser in Zoll
Felgendurchmesser in Zoll
10.0 =
20.0 =
13
10.0/20.0 - 13
Die Bezeichnu ng für Rennreifen unterscheidet sich vonjener der Straß enreifen. Sie ist fol-
gendermaßen aufgebaut: Reifenbreite / Außcnd urchmcsscr - Felgendu rchmesser
Bezeichnu ngsbei spiele Ren nreife n.
250/530 - 13
250
Reifenbreite in mrn
530
Außend urchmesser in mrn
13
Felge ndu rchmesser in Zoll
H öhe n-Breteenverb ä tmls (Q ue rsc hn itlsve r hältn is) aspect ra tio. Das für die Reifen ei gen-
schaften einflussreiche Verhältnis ist definiert als:
.
.
Höhe
"r
Q uerschnin sverh ältnis = -- =
-· 100%
Breite h r
Bei einem Höhcn-Brcitcnvcrhältnis von beispielsweise 50 % spricht man von einem Reifen
der Serie 50 oder einem Sücr-Rcifc n.
Die etwa hundertjährige Entwicklungsgeschichte des Pkw-Reifens zeigt eine eindeutige
Abnahme des Querschnittsverhältnisses von 113 % auf mittlerweile bis zu 25 % [GI5],
d.h . die Reifen wurden immer breiter bei gleichzeitig abnehm ender Seitenwandhöhe. Auch
bei Rennreifen ist di ese Entwi cklu ng zu beobachten [G IO]. Breiter e Reifen übertragen
(Seiten-)Kräfte besser und kurze Seitenwände führen zu steiferen Reifen (allerdings mit
Komforteinbußen, die das Fahrwe rk wieder wett machen muss). Ein Reifen mit kleinem
Querschnittsverhältnis erla ubt auch bei gleichem Außc ndurehmesscr eine größere Felge zu
verwenden. Diese wiederum bietet meh r Platz für größere Bremsscheiben und weitere Wir-
kah stände von Fahrwerksgele nken. Bild G-3.
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Bild G-3 Auswirkung eines kleineren Qu erschnitt sverhältnisses bei kon stantem Außendurchmesser.
Der A ußend urc hmesser DDr sei vo rgegeben . De r Reifen d er Serie 50 f üh rt zu einem größe ren Feigen -
durchmesser d nenn 50 und erlaubt den Einba u eine r Bre msscheibe m it größerem Durchmesser sow ie ein
Anbringen der Gelenke weiter außen am Radt räger.
GReifen und Räder
Formel-I -Reifen sind keine typischen Niede rquerschnittreife n. ganz im Gegenteil Ballon-
reifen. Das hat aber ka um technische Gründe. Es kommt vielmehr vom Reglement (es sind
max. l Jv-Fclgcn erlaubt und bei den erlaubten Außendurchmessern ergibt sich der hohe
Querschnitt) und die Zuschcr sind seit Jahrzehnten diese voluminösen Reifen gewöhnt.
Die Querschnittshöhe lässt sich aus den Angabe n der Reifenbezeichnung errechnen:
hr = O,5 -(ODr - 25.4 ·dnenn)
hTundODTin mm
dnenn in Zoll (I Zoll '=' 25,4 mm)
Bez eichnungen von Felgen un d Räd ern design otion ofrims and wheels. Räder werde n
durch den Felgendurchmesser und die Maulweite der Felge festgelegt. Weitere wichtige
Größen ergebe n sich durch die Ausführ ung des Bereiches der die Reifenwulst aufnim mt.
Felgen werde n. soweit sie lose ohne Radscheibe n geliefert werden. in der Nähe des Ven-
tillochs gekennzeichnet. Bild G-4.
Räder erhalten auf ihrer Außenseite zw ischen den Befestigun gslöchern eine entspre-
chende Kennze ichnung, Bild G-5 . Näheres siehe Abschnitt G 3.2.
Bild G- 4
Kennze ichnung von Felg en
nach DIN 78 29.
1 Herst eller
2 Felgen-Nummer
3 Grö ßenbezechnunq.
siehe Abschnitt G 3.2
4 Hers tellungsdatum: Pro-
d ukuonswochezranr
2
1
3
Bild G-5
Kennzeichnung von Rädern
nach DIN 7829.
1 Feigengröße (Bre ite x
Durchmesse r)
2 Hump- und Felgen-
be ttaus lührung
3 Einp resstiefe 45 mm
4 4 Herstelle r. Teile-Nummer
.
7/--'
u n d He rsteücatum
(Wo chen- /Jahre ssl empel)
2 Reifen
2 Reifen Tyres
Die Reifen sind bez ogen au f de n Ein fluss auf Fahrleist u nge n das wicht igste Einzel tei l eines
Fahr zeugs. Sie übertragen sämtliche Kräfte und Momente auf die Fah rbahn über vier rela-
tiv kleine Flächen - Latsch tcontact patch) genannt - und andere Baugruppen. wie Rad-
aufhä nge ng und aerody namische Hilfen, unterstützen die Reifen bloß in dieser Funktion.
Auße rdem übern eh men sie die Abfcdcru ng der Räder und der mit ihnen bewegten Fahr-
werksteile. Die Reifen beeinflussen somit nebe n Komfort (mechanisch und ak ustisc h) und
Wirtschaftl ichkeit ( Laufleistu ng, Kraftstoffverbra uch) vor alle m das Fah rverha lten und d ie
Fah rsiche rh eit e ines Fahrzeugs ( Eigenle nkverhalte n, Le nk p r äz isio n. Fahrstab ilität, Kraft-
schluss). Folgende, für Rennfahrzeuge wichtige Bewe rtu ngskriterien zur Beurteil ung von
Reife n ergeben s ich dar a us [G I5]:
basierend auf dem Kraftschlu ss: Trakt ion, Bre msweg, Rundenzeit. Aq uaplaning
zu Fahrstabilität: Geradeau sstabilität. Kurvenstabilität. Bre mse n in Kurven
das Lenkverhalten im üs-Bcrcich und im G renzbereich, sow ie die Lenk präzision
z u Ha ltba rkeit: Strukt ure lle Haltb arkeit, Hoc hgesc hwi nd igkeitst üchtigkeit , Durc hschlags-
fest igkeit.
2.1 Anforderung en Requireme nts
Die Anforderu ngen, die an einen Rennreifen geste llt werden, können knapp formulier t wer-
den : Maxim ale Haftwerte bei minimal er Abnutzung und au sreichender Gestaltfestigkeit.
De r idea le Re ifen ändert se in Verha lten im Gegensatz zu se ine m realen Eben bild wä hren d
des Rennens auch nicht.
Die Reifen sollen möglichst ger inge Masse aufweisen, da mit sie dem Fah rb ahnverlauf
leicht folgen können und geri nges Massenträgheitsmoment, da mit zu sie beim Bremse n und
Antreibe n keine unnötigen Besch leu nigu ngskräfte erfo rde rn.
2. 2 Grundlagen Basic s
Re ifenaufbau tyre cons truction , Es werden sowo hl Rad ial- als aueh Diagonalreifen ein -
gesetzt, Bild G-6 . Bei der Aus rüstung von Pkw und Lkw spielen Diagonalreifen allerdings
keine Rolle mehr.
Bei Radia lreife n verbi ndet die Karkasse (Unterb a u) d ie beide n Wulstkerne (Stah lseile)
mit radial (Name!) verlaufenden Kordfäden. Die für die Funktion des Reifens erfo rde rliche
Steifigkeit siche rn Gürtellagen , die unt er d em La ufstreifen a uf de r Ka rkasse lieg en. Da her
kom mt a uch die alt e rna tive Bezeic hn u ng Gürtelreife n. Die Seite nwände dieser Rci fen ba u-
art sind du rch den beschriebene n Karkassen aufb au extrem beweglich. Dadur ch beei nflus-
sen die Seitenwä nde den Kontakt des Laufstreifens wen ig. Die Reifenaufstand sfläche wird
in erster Linie vom steife n Gürtel (meist aus Sta h11itzen) bes tim mt. Gege nüber der Diago-
nalbauart wird dadurch weniger Wärme im Latsch freigesetzt. der Rollwiderstand und die
G
G Reifen und Räd er
Radlallage
G ürtellagen
Dlagonall ag en
Radialreifen
Diagon alr eifen
Bild G-6 Prinzipieller A ufba u von Radial - u nd Diagonalreiten radial tyre und bias -ply tyre .
Abnutzung d es La ufstreife ns sind ger inger . Bei gle icher Lebensda uer läss t sich so be i eine m
Rad ialreifen eine weichere G u m mi m isc hung am Laufstrc ifcn einsetze n, die größere Reib-
kräfte er möglicht. Es gibt nur wen ige Nachte ile des Radialreifens - ein Grund waru m er so
do m inant ist. Se ine Seitenwa nd ist relat iv verletz lich u nd a uf Kopfste inpflaster kan n es zu
Längsschwingungen komm en, die als Dröhngeräusche wah rgeno mmen werden. Letzteres
ist ein Komfortproblem und nur für Serie nfahrzeuge relevant. Dort entkoppcln deshalb ela-
stisch e Lageru ngen die Radlenker vom Wagenkasten.
Bei Diagonalreifen besteht der Unterbau (Karkasse) aus mindestens zwei Lagen gu m-
mierter Kordfäden. deren Fadenwinkel (cord angle) bei Standardreifen zw ischen 3Xo und
4()0, bei Hochgeschwindigkeitsreifen zw ischen 30° und 35° und bei Rennreifen bei 26° liegt
[Gl 9], Bild G ·7 . Der Fadenwin kel beein flusst wese ntliche Reifeneige nschaften wie Sei-
t cnstcifc, Federst eife und Rollwide rstund . Ein st umpfer Fadenwinke l erhö ht de n Fah rkom -
fort, verringert aber die Seitenst abilität. Ein spitze r Fadenwinkel erhöht die Fahrstab ilität
z u Lasten des Fahrkomfo rts . Durch da s Fehlen von (Stah l-)Gürtcllagen ist das Massent räg-
heitsmoment geringer als bei Radialreifen. Vor allem diese Eigenschaft macht diese Bauart
für Rennreife n immer noch interessan t.
Eine Diagonalkarkasse weist einen etwa kreisförmigen Querschnitt auf, vgl. Bild G-8.
Damit die Lauffläche breiter wird muss entsprechend mehr Gum mi an den Seiten aufge-
bracht werden . Das begre nzt das Verbreitern von Reife nquerschnit ten bzw. gen auer das
Bild G-7
Fad enwinkel (Z erutwinkef von Unterb aulaqen.
Der Fad enw inkel ist der Winkel, den die Kordfäden
mi t de r Reifenm ittenebe ne eins chließen.
198 1
2 Reifen
G
Bild e- e
Einfluss des Fadenwinke ls auf den Karkassen-
q cerscbmtt, nach [G16].
Ein Fadenw inkel von 90° führt zu einem k retstör-
migen Querschnitt Mit klein ere n W inkeln wird de r
Qu er schn itt ovale r.
Reduzieren des Höhen/Breitenverhältnisses. An Radialreifen wird der gewünschte flache
Laufstreifen durch den auf die Karka sse gelegten Gürtel erze ugt.
Das Übertragen ein er reinen Umfangskraft ist mit 90° Faden winkel nicht möglich. Die
Kordfäden können ja nur Zugkräfte übert ragen und richten s ich bei eine r Relativd rehu ng
der Felge gegenüber dem Laufst reifen entsprechend schräg aus, Bild G-9. Rennreifen in
Radialba uweise haben dah er im Gegensatz zu Sta nda rd radialreifen mit einer Lage unter
90° Zc nitw inkcl wegen der g rößeren Belast ung im Allgemei nen zweilagige Karkasse n mit
Fadenwinkel zw ischen K5° und 70° [016].
Fahr tricht ung
..
2
unver f ormt
Latsch
Haften
unve rf or mt
--1 ---
I
~
Bi ld G-9 Ubertragung eine r Umfangskraft vom Lau fstreifen eines Rad ialreifens a uf die Felge .
Beim Übe rt ragen eines Momen ts richten sich d ie Kordfäden abwe ichend von der ursprünglichen radi ale n
Richtung schräg aus und übert ragen so die Umfa ngs kraft von der aenenautstanosnäcre. Die Gummiele-
mente im Laufstre ifen werden beim Einla ufen in den Latsch durch d ie Reibung verfo rmt (Bereich: Hetterü
und gleiten beim Aus laufen (Bereich: G leiten) w ieder in die Normallage zu rüc k.
1 Kordfäden cords
Fw,x K raf t. d ie von der Fahrbahn auf den Reifen
2 Ka rkasse. Gürtellagen carcass, crown plies
w irkt
3 Lau fstrei fen tread
M a Antriebsmoment auf die Felge
G Reifen und Räd er
Im angelsächsischen Raum existiert noch eine dritte Bauart , die zwischen de n beiden
genan nten liegt, der Scmi-Gürtclrcifc n (bias -belted tire v. Aufeiner Diagonalk arkasse liegen
G ürt ellage n. wie bei eine m Radialreife n. Die Eigenscha ften diese r Ba ua rt reiche n jedoch
nicht an jene des Radialreife ns hera n. Der Reifen rollt wohl im unteren Gesc hwindigkeits-
bereich weicher ab, ist abe r nicht unbedi ngt für höhere Ges chwindi gke iten ge eig net.
Diese unterschiedlichen Bauarten de r Reifen verlangen teilweise unterschiedliche Fahr-
wcrksauslcg ungcn. damit die größtmöglichen Kräfte aufgebaut werden können.
An Radialreifen verformt sich der Aufstandsbereic h weniger als bei Diagonalreifen.
dafür ist die Seitenwand nachgiebiger und ein Sehräglaufwi nkcl wird rascher aufgebaut.
Allerdings führt das z u einem sch maleren Gre nzbe reich bei Kurvenfahrt. was fllr den Fah-
rer da s Einschätze n des fahrbaren Sehräg laufwin kcls schwier iger macht [G09]. Radi al rei-
fen erfo rdern eine grö ßere Sturzä nder ung für einen effiziente n Seitenk rafta ufba u.
•
5423187
Bild G- 10 Reifenaufbau eines Rennre ifens in Radialba uwe ise [G09].
1 Rad iallagen radial cas ing pli es
2 Draht kern bead wire
3 erste Unterba ulage first sidewall protector
4 Umsch lag einer Mantel lage usm -up ot one casing ply
5 zwe ite Unterbau lage secooa sidewa/l protec tor
6 Umsch lag einer we iteren Mante llage turn -up of eromer casing ply
7 erste Gürt ellage tirst crown ply
8 zweite Gürtellage second crown ply
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Fahrzeuggeschwi ndigkei t v [km/h )
Diagonalreifen
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-
Radi a lreifen
Bild G-11
Radiales Reife nwac hstu m
über de r Geschwindigkeit
gemessen am Zenit des
Reifens. nach [G01].
genenosne nsione rc
Diagona lreifen 6 .00 -13.
Radialreifen 165 R13.
2 Reifen
Bei Radialreifen bleibt der dy namische Rollradius etwa kons tant . Ocr (Stahl-)Gürlcl unter-
halb des Laufstreifens wird zwar oval verfor mt, sein Umfa ng bleibt abe r wie bei ei nem
Raupenfahrze ug gleich. Nicht so bei Diagonalrcifcn. Ihr Qu erschnitt wird mit zu nehmender
Umfa ngsgesc hw indigkeit gewisse r maße n drcicck förmig und de r Außendurch messer ni m mt
zu, vgl. Bild G-tI.
2.3 Einfluss auf d as Fahrverhalten Influe nce on d riving behavio ur
Der Einfluss der Reifen auf das Fahrverhalten ist vielfä ltig. Sie besti mmen unter welchen
Verformungen eine Kraft zw ischen Fahrbah n und Fahrze ug aufgeba ut wird und beeinflus-
sen so die Stellung des Fahrzeugs. Die bedeu tendsten Größen sind der Schlupf, bei dem
die größte Umfangsk raft übe rtragen wird , u nd je ner Sc h räg la ufwinkel. bei dem d ie g rößte
Seitenkraft aufgebaut wird, weil der Fahre r eines Rennfahrzeugs so fahrt, dass (fast) immer
die maximal möglichen K räfte zw ischen Straße und Reifen ausgeschöpft werde n.
Reibu ng frictian . Die eigentliche Kraftübertrag ung zw ischen Reifen und Fahrbahn ist von
v ielen Fakto ren abhä ng ig, wie r . B. Rad last, Temp e rat u r, Gleitgesc hwindigkeit und Ober-
flachenzustand.
Zunächst ist das Verhalten des We rkstoffes G ummi inte ressa nt. Er we ist eine enorm große
Elastizität auf, d.h, er macht leicht Formänder ungen mit und kehrt nach der Entlastu ng in
die Ausgangslage zu rü ck, und er faszi niert durc h extre m hoh e Dehnba rkeit. Die Molekül-
ketten bilde n im Ruhezustand ein Knäuel, das bei m Deh ne n zu Strä ngen entwirrt wird . Je
nach Gu mmi mischu ng wird die Rückkeh r in de n Ausga ngszustand du rch inne re Reib ung
gedä mpft ode r es ble ibt soga r ein Verfor mu ngs rest (visko-clast ischcs Verhalten) . Die Ver-
läufe be im Belasten und Entlaste n in eine m Spann ungs- Dehnungsdiagra mm fallen also im
letzteren Fall nicht z usa mmen und schließe n eine Fläche ein (Hysterese) , Bild G-12.
Bild G-12
vrs ko-easnscnes Verhalten von Gummi.
Die vo n den Kur ven eingeschlossene Fläche ent-
spricht der Formän oeru nqsarbeit, die nicht wie-
de rgewonne n und in Wärme umgewande lt wird.
Dehnung
Je größer d iese Fläche ist, desto meh r der Verfor mungsenergie wird von d ieser Gu m mim i-
schu ng in Wärme umgewandelt und nicht wieder zurückgegeben. Lässt man einen Ball aus
Gumm i ohne Hysterese fallen, so sp ringt er fast wieder zur Urspru ngshöhe zurück. Einer
a us Gu m mi mit extrem großer Hysterese bleibt verfo rmt a m Bode n liege n. Der Laufstreifen
von Straßenreifen weist im Gegensatz z u Renn reifen ei ne relat iv klein e Hys terese auf:
Zusätzlich zeigt Gu m mi ein sich ve rä nde rndes Verhalten über Verfo rm ungsgeschwi n-
digkeit und Last.
G
GReifen und Räder
Wird dieser Werkstoff über eine Fläche gezogen, so ist eine Kraft zu überw inden. die sich
wie folgt zusammensetzt:
Ffr = FAdhii, jnn + FHYSler" ,e + F Kohäsion + FVi,ko""
Dabei stellt der Anteil der Adhäsionskräfte die dominierende Komponente dar. Kohäsi-
onskräfte rufen den Verschleiß bei Reibkontakt hervor und sind anteilsmäßig von unter-
geordneter Bedeutung. Den Verlauf der ausschlaggebenden Kraftanteile über der Glci tgc-
schwindigkcit zeigt Bild G·13. Ma n erkennt, dass bei klei nen Gleitgeschwi ndigkeite n (z . B.
vordere r Lat schbereich bei A BS-Brc ms ung) Adhä sionsk räft e bestimmend sind. während
Hysteresekr äfte im Bereich hohcr G1citgcschwi ndigkcitcn (z. B. bei Blockicrbrcm scn) die
übertragbaren Kräfte festlegen.
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F•
Bil d G-13
Hauplzusammensetzung der Gummireibung
und Einf luss de r Gleitgeschwin digke it.
FA Ad häslc nskratte
FH Kräfte durch Hysterese
vlo Gle ilgeschwindigkeit
Die optimale Gleitgeschwindigkeit für große Reibkräft e liegt et wa zw ischen 0,05 und
0,5 m/s. Tritt zw ischen der Fahrbah n und dem Gummi des Laufstreifens ein Trennfilm. so
wirken die Adhäsionskräfte nicht mehr und es bleiben nur die gering eren Anteile der Rei-
bungskraft über. Bei Regen werde n deshalb profilierte Reifen eingesetzt . Diese verd rä nge n
das Wasser in die Profiltäler und stellen so einen gew issen Kontakt zw ischen dcm Gummi
der Profilblöcke und de r Fahrbahn her. Bei troc kene r Strecke weisen unprofilierte Reifen
(Slicks] die höchsten Kraftschlusswerte auf. Ebenso ist straßenscitig eine glatte. ebe ne Flä-
che günstiger als raue Oberflächen, die weniger Kontaktflächen bereitstellen. In Anlehnung
an die trockene Reibung fester Körper wird auch bei Reifen die Reibkraft als Funktion der
Radlast ausged rückt:
Fw.x =' JJw.x
. Fw.z bzw. Fw.y := JJ w.y·Fw.z
Jiw.x · Jiw.y
Fw.x• Fw.y , Fw.z•
Reibungsbeiwe rt in Umfangs und Querrichtung [-]
Kräfte im Reifenaufstandspunk t wirkend in Urnfangs-, Quer- und ver-
tikaler Richtung [N]
Die Reibungsbeiwert e sind wie oben bei der Reibkraftzusammensetzung erläutert fü r eine
bestimmte Paar ung Gummimischung zu Fahrbahn nicht konstant, sondern hängen unter
anderem von der Gleitgeschwindigkeit ab.
2 Reifen
Sobald ein Reifen Umfangskräfte (Antreiben. Bremsen) überträgt. tritt also eine Relat iv-
geschwindigkeit z w ischen Reifenaufstandsfläche und Fahrbahn auf. Im Bild 0 -9 isl die
Verformung des Laufstreifens zu erkennen. Die Gummielemente im einlaufenden Latsch-
bereich haften an der Fahrbahn. die Felge rotiert weiter und der Laufstreifen verformt sich
elastisch (Formschlupf, shear). Diese Deformation nimmt in Richtu ng des Auslaufb ereichs
so zu, da ss Elemente zu gleiten begin nen (Glcitschfupf slip), bis sie schlussendlich wie-
der in den unverformten Ausgangsz ustand schwi ngen, wenn der Laufstreifenabsch nitt von
der Straße abhebt. Die Umfangsgeschwi ndigkeit des Reifens ist größer ode r kleiner als die
Fahr zeuggeschwindigkeit. je nachdem, ob Antriebs- oder Bremskräfte übertragen werden.
Das Verhältnis der beiden Geschwindigkeiten ist der Schl upf (slip) Sw:
G
V -l'W
Swx.h=-- · 100 [%]
·
..
I'W-V
SW.X .a =
· \00 [%]
\'w
"w
r dyn
Ww
SW.X .h
SW.X.a
Geschwindigkeit des Fah rzeugs [m/s]
Umfangsgeschwindigkeit des Reifen s [m/s]
I'W = 'ilyn.Ww
dynami scher Reifenr adi us [m]
Radd rehzahl [s -I]
beim Brem sen auftret ender Schlupf [%]
beim A ntreiben auftretender Schlupf [%]
Ein rein rollende s Rad hat demnach Schlupf 0 %. ein blockierendes oder ein durchdre-
hendes Rad WO %.
Ein ige bei spielhafte Verläufe von Reib un gsbeiwert en über dem Schlupfzeigt Bild G · 14 .
Die Umfangskraft entsteht also durch Gleiten des Gummis au f der Fahrbahn und die größten
Kräfte entstehen bei der optimalen Gleitgeschwindigk eit der Gu mm imischung also einem
bestimmt en Schlupf.
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Schlupf Sw ,x [ %]
Bild G·14
Reibu ngsbe iwerte eines prof ilierte n
Pkw- Reifens , nac h [G121.
a Aspha lt trocken
b Aspha lt nass
c loser Kies
G Reifen und Räd er
Rennfahrzeuge werden so betrieben, dass die vom Reifen diktierten maximalen Kräfte
übertrage n werden. Eine wichtige G röße für Längskräft e ist dabei der Schl upf. Der Ma xi-
malwert des Reibbeiwerts wird Haftreibungszahl flw genannt und tritt je nach Reifen und
Fah rbahn bei etwa 10bis 30 % Schlupf auf. Der kleinste Wert wird gemessen, wenn das Rad
blockiert . Er heißt G lcitrc ibu ngs zahlJ1\v,l"o
Die Haftreibu ngszah len von Ren nreifen auf trockener Fahrbahn könn en für eine k urze
Zeitspanne (ca. 500 ms) Werte von 3 und Spitzenwerte bis zu 5 erreichen [GI4].
Dieses schlup fabhäng ige Verhalten der Reib ung ist für die Regellogik von Trakt ionsre-
gelungen ttrcction contral) und Starthilfen (/au nch contral) von zentraler Bede utung. Der
Bordrechner muss für best e Beschleunigu ng auf de n Schlupf der Haftreibungszahl cinrc-
geln und nicht etwa dafür sorge n, dass de r Reifen gar nicht gleitet.
Profi lzustand condition 0/ tread. In ma nche n Fahrzeu gk lasse n sind profili ert e Reifen
vorgeschri eb en . Dabei stellt man fest, da ss Reifen mit der minim al erlaubten Profiltiefe
die besten Rund enz eiten ermöglichen. Auf trockener Fahrbahn, wo Adhäsionskräfte das
Reibungsverhalten diktiere n, ist der Reifen mit größerer Kontaktfläche z ur Fahrba hn im
Vorteil , Bild G-15. Beim profiliert en Reifen wird die Aufsta ndsfläche durch Profilrillen
u nter bro che n u nd die übertragbare Kraft redu zie rt. Bei Nässe liegen die Verhältn isse gc nau
umgekehrt. Weitere Phänomene, die das bessere Abschneiden abgefahren er Reifen crkla-
rcn sind : Einmal steigt das Verform ungsverm ögen mit der Profiltiefe . was der Fahrer als
schwammiges Fahrverhalten empfindet, und weiters erwärmt sich die Lauffläche mit grö-
ßerer Verform ung stärker, was nebe n ein er Reduzier ung der übertragba ren Kraft bis zur
Überhitzung des Reifens führen kann . Außerdem erschweren hohe Profilblocke die War-
meab fuh r an den Reifenu nterb au. Das führt ebe nfalls z u thermischen Problemen . Profilierte
Rennreifen werden in man chen Ren nklassen durch mecha nisches Aba rbeiten eines Reife ns
au f d ie vorges chriebene Mindestprofiltiefe (ca. 2,4 bis 6 mm ) hergestellt [GOX]. Dabei muss
die Lebensdauer eines solchen Reifens gar nicht schlechter sein als jene des unbcarbcitctcn
Reifen s. Im Gegenteil: Wegen der oben beschriebene n Phänomene der Er wärmung halten
die abgearbeitet en Reifen im Rennbet rieb sogar länger al s die mit der vollen Profiltiefe
gefah renen IGI6]. Es gibt aber auch profilie rte Renn reifen. d ie mit einer Profiltiefe von nur
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Bild G-15
Einfluss des Profils auf die mög-
liche seitliche Haft reibu ng llw,Y
eines Pkw -Rad ialreifens. nach
[G12].
Reifen: 155 R13 78 S
100 % Profiltiefe - 8 mm
Fülldruck: 1.8 bar
Fahrgeschwi ndigkeit: 60 km/h
Sch räglaufw inkel: 10"
2041
2 Reifen
G
2,4 bis 3,2 mm hergestellt werde n und g leich benutzt werden kön nen . Sommerreife n für
Pkw weise n fabrikn eu verg leichsw eise mindestens 8 bis 10 mm Profil auf.
Gummireibung wird zum überwiegenden Teil durch Adh äsion und Deformation her vor-
ger ufen. Tritt ein Trennfilm zwi schen die beiden Kontaktpartner Laufst reifen und Fahr-
bahn, wird der Adhäsionsanteil drastisch reduzie rt oder sogar aufgehoben und es bleibt
praktisch nur der ger ingere Deformationsanteil über. Bei geringen Wassertiefen baut auch
ein Slick noch brauchbare Kräfte auf, weil ein gew isserTeil der Reifenaufstandsfläche noch
direkten Kontakt zur Fahrbah n hat, Bild G-16.
Fa hr trichtung
..
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La tsch
Kon takt -
zone
Wasser
Bild G-16
Fahrbahnkontakt eines snc ks
bei Nässe. nach [G21J.
Im Einlaufbereich des Reifens
hebt der Laufstreifen durch den
Druck des Wassers ab. Echter
Reibkontakt entsteht erst in
der hinteren Zone des Lat-
sches. Der Wasserfilm wird so
vom Aufstandsbereich wegge-
drüc kt und das Wasser strömt
nach dem Ab rollen des Reifens
verzögert in diesen Fahrbahn -
bereich w ieder zurück.
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Wasser strömt
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Wasser wird
v e rdr;1n .t~_-,,-,"-y
Laufstreif en ange-
hoben d urc h Druck
Ziel bei der Entw icklu ng eines Regenr eifens muss es also sein , das Wasser zw ischen Gu m-
m i und Fah rbahn zu entfernen. Dies erfolgt durch entsprechende Gestaltung der kan aI-
artigen Vert iefungen zw ischen den Profilblo cken. Sind die Profilblöcke klei n, w irken die
Räu me dazwischen als Ausweichraum für das Wasser. Dem Vergrößern dieses Ausweich-
rau ms sind allerdings Grenzen du rch die im gleichen Maße verkleinerte Auf.srandsfläche
des Gummi s gesetzt. Die Kontaktfläche kann überhitzen. Werden die Profilzwischenraume
als Kanäle ausgebildet , wird das Wasser nach vorne, hinten und zur Seite abgeleitet. Durch
diese Kanäle wird das Wasser aber nur dann aus dem Latsch gedrängt, wenn das Rad rotiert
-
bei blockierten Rädern kommt diese Wirkung abhanden , Bild G-17. Die wasserverdrän-
gende Wirkung schläg t sieh auch im Rollwiderstand nieder. Dieser steigt bei Nässe bis zum
In-fachen an.
Für die effiziente Gestaltung der Kanäle ist großer Berechn ungs- und Versuchsa ufwa nd
erforderlich (z. 8. mit CFD, Computaional Fluid Dynomics, Computerp rogra mmen zur
Ström ungssi mulation) . Erschwert wird die Entwicklung dad urch, dass ein Profil für ver-
sch iedene Wassertiefe n u nd Fahrgesc hw ind igkeiten opti mie rt werden muss, w as be sten fa ll s
ein Kompromiss sein ka nn. Der Reifenlatsch ist wegen Sturz, Vorspur und Seitenkräften
asy m met risch. Deshal b werde n auch asym met rische Profile angebote n.
G Reifen und Räd er
Bild G-17
Wasse rve rdrängende Wirk un g eines
profi lierten Reifens, nach [G 21).
Das Wasser wird du rch d ie einl au -
fenden Profilblöcke in die Zwischen-
räume gedrängt und nach vorne.
hinten sowie zur Seite geleitet. Ein
Teil der genenoberüäcne findet so
trockenen Ko nta kt mit de r Fahrbahn.
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",".",
... .
.
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"
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Auch wenn das Wasse r von den Profilrillen von der Reifenaufsta ndsfläche entfernt wurde.
bleibt noch ein schmiere nder Flüssigkeitsfilm für die einlaufen Profilstollen vorhande n. Zur
Erhöhung der Reibung muss dieser Film also auch noch entfernt werde n. Hild G-18 zeigt
den Vorgang. Die einlaufende Kante ei nes Profilstollens wischt den Wasser film von der
Fahrbahn und ermöglich so trockenen Kontakt für den restlichen Stollen. Zusätzlich können
Schnitte in Profilstollen eingeb racht werde n. Die so entsta nde nen Lamelle n bilde n weitere
Kanten und verbessern die Abstreifwi rkung.
..Gl ei ten
einl aufende
Kant e
Bild G- 18
Wisch wirkung von Prcfilstollen, nach [G21].
Die einlaufende Kante eines Profils tollens wischt
den Wasserfilm weg und ermöglicht so trockenen
Fahrbahnkon takt für den Stollen,
Außerde m bewirkt ein Profil eine Druckerhöhung an den verbleibenden Profilblöcken in de r
Aufstan dsfläche. weil bei gleicher Radlast die Kontaktflächen kleiner werden. Das Wasser
kühlt die Lauffläche und so überhitzen die Kanten der Profilblöcke auch bei Gummimi-
schunge n mit verhältnismäßig niedriger Glasübergangste mpe rat ur (s. A nhang) nicht.
Die Auswirk ung eines Wasserfilm s auf das Reibverhalten zeigt Bild G· t9.
Dazu ist anzumerken, dass auf regennassen Strec ken Wassertiefen über 2 mm selten sind.
Grö ßere Werte entstehen bei starken Regeng üssen und in Spurrillen sow ie andere n Ver-
tiefungen . Bei hohen Geschwi ndigkeiten , kleinen Verdrän g ungsq uersc hnitten und g roßen
Wasserhöhen kommt es zum vollständigen Aufschwimmen des Reifen s, dem gefürchteten
Aquaplaning. A nders als bei trockener Fahrbahn verbessert sich in dem Fall das Über-
tragu ngsverhaltcn bei höheren Fülldr ücken und klei neren Reifenaufsta ndsfläch en (dadur ch
wird der Wasserfilm vom Reifen eher .xlurchbrochco''). Breitere Reifen sind durch den rela-
tiv ku rzen Latsch in dem Zusam menh ang ebenfalls be nachteiligt.
2 Reifen
G
Bild G-19
Ha ftreib ungszahle n eines p rofilierten Sari -
enrenens bei verschiedenen wasse rhonen
nach [G12].
Gemessen an einem Pkw-Sommerreifen mi t
8 mm Protiltlefe.
Un terhalb von 60 kmlh ist kaum ein Einf luss
festeteübar; Bei großen Wassertiefen von
3 mm schwimm t der Reifen bei gro ßen Ge-
schwindigkeiten auf.
2,0
3,0
60 80 100 120 140
GesChwindigkeit v Ikm/h j
'l' .....• .... ......• .......... ..•. ........• ........ ..• Wa s s er -
~~~~;:::=-~ höh e [mm ]
t"
0,2
0,8
0,7
,
• 0,6
"
~
~
0,5
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,
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~
• 0,3
L
~
~
•
~ 0,2
0,1
Ein Regenr eifen ka nn also nicht die Fahrleistungen eines Slicks erbringen, aber er schiebt
die Geschwindigkeit. ab de r Aquaplaning au ftr itt, hina us. Die Reifenseite nwand kann auch
weicher als beim Slick gestaltet werden, weil die Regenreifen geringere Kräfte aufb auen.
Der RcifcnfLilldruck wird gewöhnlich ebenfalls nied riger gewählt.
Reifenfü lldruck lnfiatia n pres s ure. Ve rein facht kann ma n sich den Reifen a ls biege weiche
Membran vorstellen. die durc h de n Innendr uck PT gehalten wird. Mit diesem Modell lässt
sich leicht die Aufstandsfläche AT eines Reifens für eine gegebene Radlast F."v, z errechnen,
vgl. auch Bild G -20:
k'Fwz
Ar=
."
1'[
k Korr ekt urfaktor zu r Berücksicht igung der Reifensteifigkeit l-I.
k '" Cl,9 bis 0,85 [GI5].
Bil d G-20
Tragverhalten eines luft gefü llten Reifens.
Die Rad last Fw,z wi rd d urch ei ne entspreche nde Latsch -
fläche Ar aufgenommen. Bei größerer Radlast w ird die
Fläche sich zu r strichlie rt dargestellten K o nt ur ausdehnen.
G Reifen und Räd er
Tatsächlich ist die Fläche etwas klei ner, weil di e Reifenflanken mittragen und ein Biege -
moment zum Laufst reifen übertragen und somit die Membra n entlasten. Dies wird mit dem
Faktor k berücksichtigt. Mit zu nehmender Belastung (oder abnehmend en Fülldruck) wird
der Latsch also länger. sei ne Breite bleibt j a an nähernd gleich [G14]. Eine längere Auf-
standsfläche hai den Nachteil, dass der Laufstreife n sich beim Anlegen an die Fahrb ah n und
beim Verlassen um einen größeren Winkel biegen muss - die sogenannte Walkarbcit nimmt
zu, der Reifen wird wärmer und versagt im Extremfall.
Zu hoher Reifenfülldruck verklei nert die Aufstandsfläche auf befesti gter Fahrbahn und
som it die übertragbaren Kräfte. Auf losem Untergrund wird die Traktion mit geringerem
Fülldruck besser, was bei Raid- und Rallyefah rzeugen genutzt wird. Bei Serienfahr zeugen
ist de r Fülld ruck aus Komfortgründen verglei chsweise niedr iger als bei Rcnnfahrze ugen.
Das Ideal stellt in dem Zusammenhang ein System dar, das den Fülldruck während der
Fah rt variieren ka nn. Bei ge ringen Fahrgeschwindigkeiten wird ei n niedriger Fülldruc k ei n-
gestellt, der mit zunehmendem Tempo erhöht wird.
Einige prinzipielle Einflüsse des Fülld rucks auf verschiedene Reifenkennwerte zeigt
Bild G-2L Der Rollwiderstand lässt sieh durch stärkeres Aufpumpen de r Reifen reduzieren
(Diag ramm links oben: Verlauf Rollwiderstand über Radla st). Dadurch wird die Federwir-
kung de s Reifens auch steifer (vgl. Verla uf Radlast über statischer Rcifcn cind rücku ng). Die
Seitensteifigkeit nimmt mit steigendem Reifenin nendruck zu (vgl. Verlauf Seitenkraft über
Schräglaufwin kcl). Aus dies em G rund lässt sich bei jedem Fahrzeug die Steueru ngstendenz
in Richtung Untersteuern korrigieren, wenn man den Reifeninnendruck an der Hinterachse
erhöht. Mit dem erhöhten Reifeninnendr uck wird aueh der Gütegrad der Scircnkraftvcrtci-
lung besser [GOI). Ein zu hohcr Fülldruck verkleinert jedoch die Aufstandsfläche und redu-
ziert so die übertragbaren Reibungskräfte. Für den Fahre r spürbar wird dies unter anderem
durch ein redu ziertes Rüek stellm oment .
Radl ast F. ,l
stat . Reifenei ndrück ung Sr
o +<=--------t~
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-
-
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Schräglaufwinke l «
Schräglauf winkel «
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c
E
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o+----
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o
Bild G-2 1
Prinzipieller Einfluss des Füll-
druckes auf unterschiedliche
Kennwe rte des Reifens.
Pr Reifenfülldruck
2081
2 Reifen
G
Bei sinkendem Reifendruck steigt die Raddrehzahl wegen des kleiner werdenden Auf-
standsdurch mcsscrs (dy n. Rollradius) an . So ge nannte passive Rcifc ndr uck kontroll systcm c
nutzen diesen Effekt inde m sie rech nerisch den Reifend ruck durch Vergleich der Raddreh-
zahlen ermitteln.
Betrachtet man das Volumcn im Reifen ab unveränderlich (isochor), lässt sich die Drucker-
höhung im Reifen durch Erwärmung leicht ausrechn en , Bild G-22:
273,15 + Sf.2 + Sf.2
-
Sf.l
Pu = 1'1",127315+.9-
Po 273 15+~
,
LI
'
LI
P-r
. I,P T.2
" -r.I, I'T.2
Po
Überd r uck im Reifen bei Temp er atu r 1'T,1' i}-r,2 [bar]
Tempera t ur der Luft im Reifen [0C]
Umgebungsd ruck [bar]
Bild G-22
Isocho rer Druc kanstieg im luftge -
füllten Reifen.
Durch Erwärmung im Fahrbetrieb
steigt bei konstantem Reifenvolu -
men der Druck an. Für drei ausge-
wählte Reifendrücke PT bei 20 "C
ist der Anstieg eingetragen. Der
Umg ebungsd ru ck b eträgt 1 bar.
120
100
('CI
..... ..- - ..~ ..--
-- -1
40
60
80
Rei fentemper atur ~T
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........._
..•
20
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~1,5
c
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~0'5L~~6:J:J_
o
ö:2
An dieser Stelle mu ss erwähnt werde n, da ss profession elle Rennfahrer eine Dru ckä nder ung
im Reifen von 0.01 (= I/IOn !) bar spüren .
Der durchschnittliche Fülldruck beträgt I bis 1.25 bar in der Formel I [G09}. Es gibt
Rennst recken. an dene n mit unterschiedlichen Fülldrücke n links und rechts gefahren wird.
In Bareelona starten Formel-I-Wagen mit geringere m Druck in den linken Reifen. Durch
das Befahren von den drei schnellen Rechtskurven steigt die Temperat ur der linken Reifen
durch die größere Aufstandskraft und damit der Innendruck an. Somit wird das Druckver-
hältnis links zu rechts im Verlauf des Renn ens angeglichen [G05].
Rennreifen werden gerne mit Stickstoff (Ny) statt Luft bcfül lt. Bei einem Gehalt von min-
destens 95 % N2 sind die Vorteil e geringerer Druckverlust (größeren Nj-M olckülc diffun-
dieren schwerer durch Gummi), stabilere Druckverhaltnisse (ande re spezifische Wärmeka-
pazität) und höhere Temperaturb eständigkeit (geringere Dr uck erhöhung) [GI1}. Außerdem
redu ziert eine Stickstofffüllung den nat ürlichen Gehalt an Wasserda mpfder Luft und somit
Phänomene wie Damplbildu ng (der Druck im Reifen steigt dan n überproportional an) und
Korrosion. Eine kostengünstige Alter native best eht da rin , getrocknete Luft in den Reifen
zu pumpen.
G Reifen und Räd er
Radl ast co mer weigh t. Die Tragfähig keit ei nes Reifens hängt hauptsächlich ab von: Füll-
druck, Felgendurchmesser. Laufstreifenbreite und Querschnittshöhe.
Erw art ungsgem äß nimmt die übert ragb are Umfang skraft ei nes Reifens mit der Radlast
zu, Bild G-23.
Betrachtet man jedoch den Kraftschlussbeiwert. sieht die Sache anders aus. Mit zuneh-
mender Radlast nimmt im Allgemei nen der Kraftschlussbeiwert ab. Dies gilt nicht nur für
Umfangs- , so ndern a uch f ür Seitenkräfte. vgl. Bilder G-24 und G -25.
Bild G-23
Umfangsk rafl Fw,x eines Reifens in
Abhängigkeit von der Radlast Fvcz.
n ac h [G14].
M it zunehmende r Radlast nimm t d ie
übertragbare Umfangskraft zu.
2000
4000
6000
Radlast F. ,l (N]
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...... . iJ
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20 00
4000
6000
Radlast F. ,z [N)
Bild G-24
Verlauf des Reibbe iwertes eines Rei-
fens in Umfangsric htung übe r der
Radlast.
Dieser Verlauf entspr icht dem aus
Bild G -23 (nac h [G14]).
2 Reifen
G
--
Rennreifen
---
Serienreifen
_
1
-
---- ------ f
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1000 2000 3000 4000 5000
Radlast f•.z IN]
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o
Bi ld G-2 5 Typischer Verlauf der Reibbe iwe rte von Reifen in Qu e rri chtu ng über der Radlast.
Die Werte ergeben sich aus Bild G-29 für Schräg laufw inkel a _ 8°.
Bei gegebe ner Radlast sind de mnach breitere Reifen besser, weil in der Rcifc naufst andsflä-
ehe ein kleinerer Druck herrscht und eine g rößere Reibkraft aufgebaut wird (vgl. auch Bild
G-35). Eine .Übcrbcrcifu ng" ist abe r trotzdem schlecht: Ein gew isser Druck ist in der Auf-
standsfläche für eine n g roßen Kraftschluss erforderlich, was im Bild G·26 erkennbar ist.
Bei einer zu ger ingen Radl ast nimmt die Reibkraft gege nüber dem Höchstwert wieder ab.
Bei extremen Winkelbeschleu nigungen des Reifens, wie sie z. B. bei Dragsterrennen auf-
tret en, e ntste ht ein große r Schlupf und die Kontaktk raft im Aufs ta ndsfläc heneinlauf nim mt
durch Masseneffekte des Reife ns beachtlich zu . Dadu rch wird das Beschleuni gu ngsvcrm ö-
gen solche r Fahrzeuge gesteige rt. Zusätzlich e rsetzt das mit der Geschwindigkeit zuneh-
me nde Reifenwachstum (vgl. Bild G- Il) cin Get riebe, so dass hohe Geschwin digkeiten ohne
Schaltmanöver erreicht werden [GI6 ].
I'-w,v [ .]
0,5
1,0 / =. "!~+---;=~=
;
i
i
'
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........ ..,
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o '000 2000 3000 4000 5000 F. ,z [N]
o+---i---i---i---i---i-
-
Bild G-26 Verlauf des Kraftschlussbeiwerts in Querrichtung über der Radlast.
Damit überhaupt eine Reibk raft aufgebaut werden ka nn, ist ein e gew isse Rad last e rforderlich . Das Maxi -
mum an Reibung w ird jedoch schon bei n iedrigen Rad lasten erreicht, ab da verringe rt sich d ie Reib kraf t
mi t zunehmender Rad last.
Die in de n Diagr am men gezeigten Werte für Umfangs- und Querkräfte sind Maximalwerte,
die für eine bestimmte Paaru ng Reifen -Fahrbahn erz ielba r sind. Der Reifen braucht aller-
dings eine gew isse Zeit (und damit eine Wegstrecke), bis er die Seitenkraft aufgebaut hat.
Für Pkw-Reifen liege n typische Werte dieser so genannten Einlauflänge zw ischen 0.2 und
0,7 m [GI5]. Kommt es nun zu Radla stschw ankungen - wie es bei einer reale n Fahrt unver-
me idlich ist - so bew irkt das einen Seitenkra ftverlust . dessen G röße im Wesentlichen von
Stoßdämpfern, Reifenfülldruck und von de n Lenkerlagern abhängt.
G Reifen und Räd er
Sch räglauf tyre slip, Die von der Geraden als Projektion der Radeb ene auf die Fahrbahn
abweichend e Bewegu ngsrichtun g wird immer als Schräglauf bcz cichnct, unabh ängig davon,
welcher Fahrbahnkontakt besteht.
Der Rcifcnschräglaufist die domin ierend e der die Fahrstabilität bestimmenden G rößen.
Ocr Reifen-Schrägla ufwinkel in Abhängigkeit von der Seitenkraft wi rd vom Reifentyp. aber
auch gan z besond ers vom Reifeninn endruck und von der Radlast beeinfl usst. Weiters haben
Reifenkonstruktion und Laufflä chcnzusland, sowie die Überlage rung ei ner Umfangskraft
einen Einfluss .
Beim schräg laufenden Rad werden die Gum miele mente durch die im Latsch angreifend e
Seite nkraft aus ihrer Norma llage ausgelen kt. Bild G-2 7. Dabei wirkt zunächst die elastische
Rückstellkraft des Reifens gegen die über de r Lauflänge (annähernd linear) zunehmende
Auslenkung. Wird di e max imal übertragbar e Reibkraft von Gummielem enten in der Auf-
standstlache überschritten (das ist z. B. bei großen Schräglaufwinkeln der Fall), so komm t
es zum Gleiten dieser Elemente und die Auslenkung nimmt über der Lauflänge nicht mehr
zu. Erreichen die Gum mielemente das auslaufende Ende des Latsches, nimmt die Kontakt-
kraft ab und die Elemente springen letztendlich wieder in ihre Ausga ngslage z urück. Durch
die Strukturfestigkeit de s Reifens wird der Laufstreifen schon vor dem Einlaufen in den
Latsch ausgelenkt und kehrt erst nach dem Auslaufen wieder in die Ausgangslage zurück.
Entsp rechend der seitlichen Verformung ergibt sich de r Verlauf der Seitenführungskraft in
der Aufstandsfläche. Bemerkenswert hierbe i ist, dass die resu ltierend e Ges amtkraft Fw.v
um rr.Thinter dem geometrischen Radaufstandspunkt angreift. Dies führt zu m so genann-
ten Rückstellm oment (siehe unten).
Der Laufstreifen muss bei m Einlaufen in de n Latsch erst umgelenkt werden. Massenef-
fekte und Material steifigkeit führen da zu , dass die Kontaktkräfte im Einlaufb ereich größer
sind als in der restlichen Aufsta nd sfläche. Die resultiere nde vertikale Ges amtkraft Fw.z
greift dabe i um eR vor dem Radmittelpunkt an und erzeugt demnach ein Mome nt, das der
Rollbewegu ng des Rads entgegenwirkt (Rollwiderstand rolling resistancei.
Die für die Fahrzeugführung brauchbare Auswirku ng von Schräglauf nämlich das Aufbau-
en einer Seitenkraft über dem Schräglaufwi nkel. ist schematisch in Bild G-28 darge stellt.
Im Grunde sieht der Verlauf für alle Reifen gleich aus. Nur die Neigu ng des ersten linearen
Anstiegs ist untersch iedlich. Sie hängt hauptsächlich ab von Reifenbauart (Höhen/Breiten-
verhältn is, Karka sse naufbau. Gummimischu ngen . . . .). Fülld ruck u nd Rad last. Man e rkennt
aber auch. dass ab einem gewissen Schräglaufwinkel die Seitenkraft wieder abnimmt. Es
gibt also einen optimalen Schrä glaufwinkel für maximale Seitenk raft. Dieses Optimum ist
allerdings wieder von vielen Einflüssen abhängig, au ch die Fahrgeschwindigkeit spielt eine
Rolle. Bei hoh en Geschwindigkeiten bew irkt der Schräglauf eine nicht unerhebliche Erw är-
mu ng des Reife ns. Deshalb werden im Allge meinen bei hohen Geschwindigk eiten klei ner e
Sch räglaufwinkel gefahre n, damit die Reifen nicht zerstört werd en.
Ein höherer Fülldru ck erhöht die Seitensteifigkeit eines Reifens (Bild G-29). Ein zu gerin-
ger Fülldruck wirkt sich negativ auf die maximale Seite nführungskraft aus. Das Fahrver-
halten eines Wagens lässt sich so durch den Fülldruck beein flussen . Erhöht man den Dr uck
der Reifen einer Achse, so tritt an dieser bei gleicher Seitenführungsk raft ein klei ner er
Schräglaufwinkel auf.
2 Reifen
l7'7l FOrllach lup1
lLLJ (liaH en)
~ GleHschl upf
~ (Gleite n )
G
Se1t enkra1t ·
~ertellyno
vertikalkraH -
~ertellyn g
.,
-I
"T
F."
i
Bild G-2 7
Deformation eines schräg ro llenden Reifens,
Oben: schematische Verläufe. unten: Sch räqnss -
da rstellung.
v
Bewegungsrichtung des Reifens
tyre heading
c
M itte Rad median plane wheel
FW,y Seilen kratt auf Reifen wirkend
lateral force
Fw,z Vertikalkratt auf Reifen wirkend
vertical toce
r.,T_eR ve rsatzstrecken von Kräften zur Radachse
center offset distance ot torcee
a
Schräglaufw inkel slip angle
G Reifen und Räd er
+
FOlldruck
Bild G·28
Prinzi pielle r Verlauf der Seitenführungskraft übe r
d em Schräg laufwinkel.
Zusätzlich ist der Einfluss eines zunehmenden
Reifenfülldruckes einget ragen.
Schrä glaufwi nkel Q
5000 f ··········· ,
········
,
,
,
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~. 4000
Rennreif e n
Seri enrei fe n
0.=8 ·
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1000
2000
z
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•
w
o 1000 2000 3000 4000 5000
Radlast F. ,l [NI
Bild G·29 Typische Se ilen führ ungs kraft Fw,Y zwerer Reifen in Abhängigke it von der Radlast Fw.z'
Es sind jewei ls zwe i Kurven für unte rschi ed liche Schräglaufw inkel a da rges tellt. Ma n e rkennt, dass mit
größe r werdendem Sch räg laufwin kel d ie Seitenführung sk raft zunimmt. Weiters zeigt der Rennreifen ei-
nen wesent lich steileren Seitenkraftaufbau übe r der Radlast im Vergleich z um Serienreiten. Dafür fallt die
Seitenkraft nach Dberscnrerten ihres Ma ximums ebenfa lls wiede r ste il ab. Der Serienreifen verhal t SiCh
da gegen e rheblich gutm ütiger und ist somit fü r den D urchschnittsfah rer besser g eeignet.
..... 1
1 J-<
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Lt,S'
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L
~ 2000
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." 1000
•
~
0
2
4
6
8
Schräglau fwi nkel
12
2 Reifen
Bil d G-30
Typische r Verlauf d er Seitenführungs-
kraft FW,Y eines Rennre ifens über dem
Sch räglaufw inkel a.
Zcsätzfch ist die Änderung des Ver-
laufs bee influsst durch den Sturz w in-
kel c eingetragen. Ein St urzwin kel ruft
au ch bei Geradea usfahrt (a - Oj eine
Seitenkra ft hervor. Diese vergrößert bei
ne gativem St urz d ie vo rhandene Sei-
ten kraft des SChräglaufs, Ein pos itiver
Stu rz verminde rt d ie Schräqlautseiten-
kraft.
G
St u rz camber. Eine weitere Einflussg röße ist die z ur Fahrbahn geneig te Reifenebene
(= Sturz), Definition und Vorzeichen siehe Bild G-3 2.
Das unter Sturz frei rollende Rad verhält sich wie ein Kegelstumpfu nd beschreibt einen
Kreisbogen auf der Fah rbahn. Wird das Rad daran gehindert (z. B. durch die Rad aufhän-
gung), so erzeugt es eine Kraft. die zum Scheitel dieses Kegelstumpfes weist. Die Größe
der Seitenkräfte durch Sturz hervorgerufen sind bezogen auf den relevanten Winkel in Grad
etwa ein Fünftel bis ein Zehntel jener Kräfte, die Schräglauf erzeugt.
•~
-
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L
~.
' :::J
-,;
~~
-
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L
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Stur zwi nkel e
+Radlast
Bild G-31
Prinz ipieller Verlauf d er Seite nk raft über dem
Sturzwin kel. Z u sätzlic h ist der Einfluss zu -
nehmender Rad last eingetragen.
Wird dieser Sturzseitenkraft bei Kurvenfahrt eine weitere Kraft überlagert , so vergrößert
oder verkleinert sich die Gesamtseitenkraft des Reifens, je nachdem. wie das Rad gestürzt
ist. Bild G·32 .
G Reifen und Räd er
Bil d G-32
Einf luss vo n Stu rz be i gleichzeitigem Angrei-
fen von Seiten krät ten.
a Kont ur des ver formten Reifens i nfolq e
konischen Abro llens.
Im lin ken Bild teil ist der Stu rzw inkel neg ativ:
Die z usätz liche Seilen kratt FW,Y wi rkt in die-
selbe Richtung w ie die Ste rzseite nkratt . w irkt
a lso de r Reifenverfo rm ung entgegen. Die ge -
samte übertrag ba re Seitenkraft w ird größe r.
Der auftreten de Schräg laufwinkel ist pos itiv.
Im rechten B ildteil wirkt die zusätzliche Sei -
tank raft FW,Y gegen die Sturzsenenkratt und
reduz ie rt so die Gesamtseitenk ratt . Der a u/ -
tretend e Sc hräglaufwinkel ist nega tiv.
/
Fwy
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- tt~
II
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II
,
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~. ,'/,, /
a
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Eine Sturzseitenkraft kann auch entstehen , ohne das s das Rad gestürzt ist. Ein asy mmc -
tris cher Reifenaufbau (z. B. ist eine Wand steifer als die andere ) erzeugt ein en ähnlichen
Effekt. Der Reifen deform iert sich unter der Radla st Im Grunde wie in Bild G-32 links zu
sehen und ruft dadurch eine Seltenkraft beim Abrollen hervor. Diese Möglichkeit eines " in
den Reifen cingcbuutcn'' Sturzes wird bei Rennserien genutzt, In denen reglementbedingt
nur k leine Sturzw inkel möglich sind und bei denen Kur ven nu r in einem Sinn durchfahren
werden. Dies trifft beispielsweise auf die NASCAR-Ser ie mit den in den USA beliebten
Ovalstadie n zu [GI6] . Der "eingebaute" Sturz ist teilweise so stark, dass die Mechaniker
Gegenlenken müssen , wollen sie den Wagen geradeaus in die Box schieben.
Rück st ellmomen t seif-a ligning torque. Die Seiten führun gsk raft eines gelenkten, sc hräg-
laufe nden Reifen s wird in der Aufstand sfläche beginnend vom Einlauf z unächst stetig und
abhän gig von den Reibungszu ständen im weiteren Verlauf wieder abneh me nd aufgebaut ,
vgl. Bilder H-6, G -27 und J-IO. Die resultierende Gesamtkraft greift dab ei hinter dem geo -
met rischen Aufstandspunkt an und erzeugt somit ein Moment um die Reifenh ochach se.
Dieses Mome nt will da s Rad in die Geradeausstellu ng zurückdreh en und heißt daher Rück-
stellmoment. Die Größe des Rück stellmoments ist also abhängig von de n Haftungs- und
Gleitvorgängen im Latsch und liefe rt dem Fahrer über d as Moment am Lenk rad einen wert-
vollen Hinweis über die Kräfteverhältnisse in der Reifen aufstandsfläche. Von besonderer
Bedeutu ng ist dab ei, dass das Rückstellmoment sein Maximu m vor der Seitenkraft über
dem Schräg laufwinkcl erreicht. Dadurch kann der auß ergewöhnlich feinfühlige Fahrer
gezielt an die Gr enz e der Reife n (= Maximum der Scitcnkraft) gehen.
Die wichtigste n Einflüsse und deren Wirku ng sind im Bild G-33 ei ngetr agen. Ma n
erkennt, d ass alle Maßnahmen, die die übertragbaren Kräfte in de r Aufsta ndsfläche erhöhen
auch das Rückstellmoment vergrößern. So zuneh mende Radlast, abnehm ender Fülldruck,
große Fläche (= geringes bis kein Profil) und zunehmender Kraftschl uss.
Eine zusammenfassende Darstellung von Reifenkräften ermöglicht das so genannte
Gough-Dlag ramm. Bild G -34. Es vereinigt die Param eter Seitenkraft, Rückstellmoment.
Reifennachlauf Radlast und Schräg laufwinkel in einem Bild.
2 Reifen
G
f
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5
+- .,
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10 Cl["j
0
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Pro f il-
tiefe
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t.
0-1'--
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-
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•
o
o
•
Fahrgeschw ind ig ke it
St urzwinkel
Kraftschluss
,
Pw
,
Bild G- 3 3 Einige Einflüsse auf d as Rücks tenrnc rrent.
M w Rüc kstellmom ent
a
Schräglaufw ink el
Fw,z Radla st
PT Reifenfülldruck
6000
5000
".
"
4000
"•
•
• 3000
"c
•
"
-
2000
•~
1000
0
0
20
40
60
80
Ruck st ellmoment "" (Nm]
100
120
Bild G-34 Gough-Diagram m für einen typischen Pkw-Reifen, nach [G18].
Für drei Radla sten Fw.z (2. 4 und 6 kN) sind Seite nk räfte und Rüc kstellmoment einge tragen. A ußer d em
lassen sich d er Reifennachlauf und d er Sch räg laufwinkel ablesen.
'r ,T reitenhedmqter Nachlauf
a Sch räg laufwinkel
G Reifen und Räd er
Aufstands f läche
sc hma le r Reifen br e iter Reifen
~ ~ewegungsrichtung
~Reifen
I,
'I
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~"""TYf-L. I.
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F!~a_~!i! ~
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Bild 0-35 Ausw irk ung unterschiedl ich e r Reifenb reiten a uf das Reib ungsverhalten in der Au tstandsüä -
ehe b eim schräglaufenden Rad.
a Sch räg laufwinkel
Dargestellt ist die se itliche Auslenk ung de r Gummielemen te im Lautst reuen Der ers te Bereich , in dem die
Verschiebung linea r z un immt, ist der Haftbereich (Formschlupf). Da ran schließ t der Bere ich des meneoe
an. Be i gl eich en Verhält ni ssen (Radlast, Fuüdruc k, Sch räg laufwinkel) stellen sich etwa gleiche Detorrnan-
onsve rhältr usse ein. Beim bre iten Reifen mit der kürzeren Latschlänqe ILatsch.2 führt das zu einem hohen
An teil an Haftfläche (schraffiert) bezogen auf die gesamte Aufstan dsfläche.
Reifenbreite tyre width, Die Aufstandsfläche hängt in erster Linie vom Fülldruck und der
Radlast ab wie obe n näher erläutert. Bei gleicher Radlast u nd gleichem Fülldruck (und dem -
nach g leicher Fläche) weist ein breiter Reifen einen kürzeren (aber ebe n bre iteren) Latsch
auf als ein schmaler. Den kt man nun an das Dcfo rmat ionsvcrhaltcn ein es Reifens unter
Einwirkung einer Seitenkraft (z. B. Bild 0 -27), so wird offenkundig, dass bei gleichem
Schräglaufwinkel im Latsch des breiteren Reife ns der Anteil an haftender Fläche großer ist
als beim schmaleren Reifen . Bild G-35 stellt diese Überlegung schematisch dar. Der grö-
ßere Haftan teil in der Aufstandsfläche bedeutet größere übertragba re Seitenk räfte für den
breiten Reifen bei gleichen Bedi ng unge n.
Breite Reifen übertragen auch Umfangskräfte besse r und sind damit sch male ren überle -
ge n. Ein ku rzer Latsch verlangt vom Lauf.strcifcn einen kleineren Biegewinkel beim Einlau-
fen auf die ebene Fahrbahn als ein langer. Dadurch wird dieser Anteil de r Walk arbeit beim
Breitreifen geringer. Ein Nachteil von Breitreifen ergibt sich durch den kurzen Latsch bei
Nässe. Das Aquaplaningverhalten von kurzen Aufsta ndsflächen ist wesentlich schlechter
als von langen.
Rollwiderst and rolling resistance. Die Reifeneinfed erung und die dam it verbundene
Walkarbeit stellt eine der Hauptursachen für den Rollwiderstand des geradeaus rollenden
Reifens dar. In Bild G-27 ist zu sehen, das s die resultiere nde Gesa mtvertikalkraft der Rei-
fenaufstandsfläche F w.z einen Betrag eR vor der Radmitte ang reift. Dies führt zu einem
Rollwiderstandsmom ent AIR:
MR= F w.z
·«n
2181
2 Reifen
G
Aus dem Momentengleichgewicht um geradeaus rollenden Reifen mit dem Radius rdyn
erg ibt sich daraus für die Rollwidersta ndskraft FR:
eR
FR= --Fw.z =kR .Fw.z
Idyn
kR Rollw iderstandszahl (-]
Die Rollwiderstandszahl ist abhängig von der Reifenbauart. der Fahrbahn , der Radlast. der
Fah rgeschwindigkeit und dem Fülld ruck (vgl. Bild G-21). Prin zipielle Ve rläufe sind Bild
G ~36 zu entnehmen .
-----
175 /80 R14 saH
--- 205155 R 16 91W
200
,GO
[kmfh)
40
60
120
Geschw in digkeit v
----;---;.: .
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II
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_
··'t-t···- i --··t-t""""f -"rl
=:~r=T::=r::~l=-j ::T ::r =r
0,016
0,0 15
0,0 14
0 ,013
0,0 12
0,011
0,010
0 ,00 9 +--i-~~---'~~~~-~~T-T-
o
Bild G- 36 Durchschn ittwe rte von Rollwiderstandszahlen fü r Serien-Rad ialreifen. gemesse n auf einem
Trornmelprütstand nach [G 12].
Tatsäch liche Werte weichen von den Trommel -Messwerten ab, siehe Text. H -Rei fen sind n ur bis 210 km /h
zugelassen und weisen unte r 16 0 km/h einen ger ingeren Rollw idersta nd auf als z. B . V - und W -Reifen ,
Diese Werte werde n auf einem Tro mmelpr üfstand er mitte lt. Dabei wird das Rad geg e n eine
Lauftrommel gedrückt. Gegenüber den Messungen auf der Trommel ergebe n sich zum Teil
er hebliche Abwe ichungen auf realen Fahrbah ndecken. Bei Asphalt steigt die Rollreibung
um etwa 20 % an, aufrauem Beton um mindestens 30 % . Bei neuwertigen Fah rbahnen sind
die Werte ge ringe r als be i ausg efahren e n Oberflächen.
Der tatsächliche Wert kR ergibt sich demnach aus dem Messwert kR•Ozu:
kR = iR • kR•O iR Verhältniszahll-l
Oberf läc he
i,
Asphalt
1,2
Beton
1,3 bis 1,4
Kopfsteinpflaster
ca. 1,5
festgefahrener Sand
ca, 4
loser Sand
bts 20
GReifen und Räder
Regenreifen verdrängen in Profilril1cn das Wasserder Fahrbah n von der Rcifcnaufsta ndsflä-
ehe. Durch diese Arbeit kan n sich der Rollwiderstand bis zum lO-fachcn erhöhen.
Den Einfluss der Temperatur aufden Rollwiderstand ze igt Bild G-37. Überder Prüfzeit
erhöht sich die Reifentemperatur durch die Walka rbcit und der Rollwiderstand nimmt ab.
Man erkennt auch. dass die Temperatu rerhöhung über der Zeit einen zulässigen G ren zwert
anstrebt. Ocr Reifen ka nn so sicher betrieben werde n. Zusätzlich ist noch ein Temp eratur-
verlauf eines Reifens mit unzu lässig nied rigem Fülldruck eingetrage n. Dessen Tempe ratur
steigt kontinuierlich an, was bei längerem Betrieb unvermeidb ar- zu r Zerstöru ng des Reifens
führen würde.
z
",
50~
"•
~
•
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o
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100 -:
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20
[min i
10
Prüfzeit
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-
-
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-g 200
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•
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:;: 100
~~
o
~
Bil d G-37 Rol lwide rstand in Abhängigkeit von der R eiten temperatur i}T. nach [G01].
Reifen: 7.25-13 Nylon; Geschwindigkeit: 165kmlh ; Radlast: 4000 N: Aeifeninnendruck: 1.5bar: Trommel-
oecnmesser: 2.5 m: Trornmetsrürnmunq konvex. d . h . de r Reifen wird an d ie Außentläche der Trommel
gedrückt.
A ufgetragen ist de r Ans tieg der Reifen temperatur und de r Abfa ll des Ro llwiderstands über de r Prützeit.
Zusätzlich is t das Verha llen ei nes Reifens mit zu n iedrigem Fulldruck einget ragen (schmal punktiert).
Unzulässige Tempe ratu rerhöh unq wü rde nach einiger Ze it zu r Reifenzers tö rung führen.
Weicht die Beweg ungsrichtung eines Reifens von der Radebene ab (Schräglauf). erhöht sich
der Rollwiderstand bezogen au f d ie tat sächliche Beweg ungsrichtung des Reifens. Bild G-31t
Dabei trägt die Seitenführungskraft Fw.y mit folgendem Anteil bei:
Fw:;; = Fw.y
-sinc
Vom Rollwiderstand FR bei geradea us laufendem Rad wirkt folgende Komponent e der
Beweg un g entgegen:
FR.x: = FR .cosa
Durch diesen Sch räglaufeinfluss wirken folgende Umstände widerstandserhöhend.
Vor/Nachspür (etwa I % Ände rung jeov.o = 10') bzw. Radstellu ngsfehler.
zunehme nde Kur vengeschw indigkeit (größere Schrägla ufwi nkcl ),
Spurweitenänderu ng beim Ein- und Ausfedern.
produktionsbedi ngter Geradeauslauffehler des Reifens.
Sturzs tcllung des Reifens (Einfluss kann bis ±2 ° vernachlässigt werde n).
220 I
2 Reifen
I
Mitt e Rad
Bild G· 3 8 Kräft e, die der Beweg ungsrichlu ng eines schräg laufenden Reifens entgegenwi rken (Ansich t
von oben).
Sowoh l die Seitenführungsk raft als auch de r Rollwide rstand haI einen Be itrag. der d er Bewegungsrich -
tun g des Reifens entgegenwirkt.
Durch den Schlupf und den Schriiglaufnimmt der Reifen zu sätzlich Energie auf ohne diese
in Vortrieb umz usetzen. Ein Teil der Leistung wird demn ach ber eitgestellt um den Reifen
zu deformieren:
G
P1s,a = Fw:x . \'
P
F
SW.X .a
rs.s = W.X
·\"
\-5w-X-a
P lS,lI Verlustleistung durch Schräglauf
Pls.S Verlustleistu ng durch Antriebssc hlupf
Eine Vorstellung überdieGrößenverhältnisse solcherVerluste bei Formel-I -Wagen (Gesamt-
massc 675 kg) liefert Tabell e G -4 .
Tab. G·4 Verlustleistunq der Reifen bei Beschleunigung. Bremsung und Kurvenfahrt eines Porrnel-t -
Wagens. n ac h [G21].
Geschwindigkeit Fah rzustand
Verfo rmung szu stand Verlu stlei stung
[km/h]
lkW]
100
1,2 9 Beschle un igung
3 % Schlupf
6,7
100
1,2 9 Besch leunigung
6 %Schlupf
13,4
300
3,5 9 Bremsung
3 % Schlupf
58 .2
300
3,59 Bremsung
6 % Schlupf
116,3
240
3,5 9 Q uerbeschleunigung
3° Schrä gla uf
80.5
240
3,5 9 Q uerbeschleunigung
6· Schrägla uf
160,3
Beim ü berschreiten einer bestimmten Geschwindigkeit, gena uer bei einer bestimmten Rad -
droh zahl. kommt es zur Ze rstöru ng des Reifens durch erhöhte Walk arbeit und Zentrifugal-
beschleunigung. Jeder Reifen besitzt dem nach eine bauartbedingte Höchstgeschwindigkeit,
die nicht überschr itten werd en darf.
G Reifen und Räd er
Temperatur temp erature. Durch Reibung und Deform ation (vgl. Bild 0 -12) wird Wär-
me freigesetzt. Ein Teil dieser Wärme wird durch Konvektion an die Umgebung abgeführt.
Gummi istjedoch ein schlechter Wärmeleiter und es stellt sich eine relat iv hohe Materialrem-
pcrarur ein. An heißen Tagen können Höchstwerte um 130 "C [009] unmittelbar nach der
Ankunft in der Box gemesse n werden. Bei derReifenentwicklung wird dah er großes Augen-
merk au f die Temperatur der Gum mimischung im Bet rieb gelegt. Üblicherwe ise werde n
Temperaturen im Stand gemessen. Der nadelartige Mcssaufnch mcr wird in den Laufstreifen
bis zum Unte rbau eingedrückt. Es gibt aber auch optische Mcss vcrfabrcn, d ie die Oberflä-
chente mperat ur erfasse n (vgl. Bild Q-3). Solche berührungslose Messungen sind auch wäh-
rend der Fahrt möglich und zeigen Wert e von 150 "C [016]. Spitzenwerte liegen bei ISObis
190 "C. Die Temperatur kann sieh mit eine r Rate von 10°e /s ändern [0 22}. Das erklärt auch
den großen Unterschied zwischen Messungen in der Box und im Betrieb. Zwischen Innen-
und Auß enreifen sind auch Temperat urdi fferenzen von 40 bis 65 "C keine Seltenheit.
Die Temp eratur wird beein flusst durch : Fahrzeuggewicht. Fah rverhalten des Fahrzeugs,
Reife nfülldruck. Gummizusammensetzung und Reifenaufbau. Umgebungstemperatur und
Fah rbahntemperatur [G09].
Der Fahrzeugkonst rukteur kann dab ei das Gewi cht und das Fahrverhalten beeinflussen.
Durch Ände rn des Reifendurchmessers kann die Temperat ur in Grenze n beeinflusst werden
(siehe Wahl der Rcifc ngr ößc] [G09].
Der Fülldruck beeinflusst die Druckverteil ung im Latsch und da mit die Temperatur. Ist
der Druck zu groß, ist dieTemperatur in der Mitte des Laufstreifens höher als an den Rän-
dern, Bild G-39. Ein zu niederer Fülldruck lässt die Temperaturen an de n Reifen schultern
höher werden.
Für d ie größtmög liche Reibkraft eines Reifen s m uss die Temperatur übe r der Laufst rei-
fenbreite kon stant sein . Die Fahrwerksgeo met rie beeinflusst die Temperat ur verteilung. Ein-
seitig höhere Temperaturen können ihre Ursachen in einem zu großen Sturz oder einer zu
großen Vorspu r haben. Die Reifenschuftern. welche Fahrbahnkontakt haben, weisen die
höheren Tempera t uren auf.
PT ko rrekt
PT zu hoch
t
t
Bild G- 39 Einfluss des Fülldr uckes auf die Reifenerwärmung.
Sowohl ein zu hoher als auch ein zu niedriger Fülldruck wirken sich negativ auf die Druckve rteilung im
Latsch aus und senken Laufleistung und Kraftübe rtragung.
Verh alten bei kom binierten Bela st ungen beh aviour under combinedforces, Kombi niert
man di e Ken nlinie n aus Umfa ngs- und Seitenkräften zu ein em Kennfeld, so wi rd deut-
lich, da ss die Einhülle nde der Maximalwerte auf einer annähernde n Ellipse liegen, Kur ve
FW,max in Bild G-40.
2 Reifen G
__
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.
s.,. =o
Seit enkraft F. ,y
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I
/'··" ··· ~r ...rr..·
~d/~~~~
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Schl upf s., .
Bild G·40
Zusammensetzen eines Reifenk ennf eld s aus den
Ken nlin ien Seitenkra ft übe r Schräglauf und Um-
fangs kr aft über Schlupf, ideal isiert, nach [G171.
Neben d er Ein hüllenden de r ma ximal übertrag-
ba ren Kraf t Fw,m ax ist die Grenzkurve f ür das
b loc k ierte Rad ohne Schräglauf (Sw,x - 1) ein -
get ragen.
Br emskraft
. !~;:1
I ....,.... .1
......,!.. '+..
s.,. ,.
s.,. ,.
Antriebskr af t F. ,. ,•
..1..2
..3
e4
Schräglaufw i nke l ..
Ein Reifen kann die größtmögliche Kraft nur in einer Richtung übertragen. Soll ein Fahr-
zeug die maximale Querbeschleunigu ng aufb auen, so darf der Fahrer weder Bremsen noch
Gas geben, Umgekehrt kan n in einer Kur ve nicht voll beschleun igt werden, Will ma n de n-
noch in einer Kurve beschleunigen, diktiert die in Anspruch genommene Seitenkraft FW,y
des kurvenäußeren Rads, wie groß die Umfangskraft Fwx sein darf, damit die Seitenkraft
erhalten bleibt, Bild G· 41. Wird diese ma ximal übertragbare Kraft übersch ritten, reduziert
Bremskra f t
\
F. ,x,.
Seitenkraft F. ,.
F
F..
Antr ie bskraft
f
F. ,x,.
Bild G-41
Kombination von Umfangs- un d
Seiten kratt a n einem Rad in eine r
Kurve, schematisch.
Das vollständige Diag ramm is t
symmetrisch, also f ür p o sit ive
und negat ive Seitenkräfte (Kur-
ventanr t nach links und rechts)
gleich.
Die resultierende Gesam tk raft
FW. rsl setzt sich aus einem Seiten -
k ratt- und einem Umf angskra ft-
anteil zusammen. Größer als die
vom Reifen vorgegebene Grenze
(Fw,m a.l kann die Vekto rsumme
de r be iden An teile nie werden.
G Reifen und Räd er
sich die übertragbare Seitenk raft entsp rechend, das Rad beg innt z u gleiten und der Wagen
bricht an der entsprechenden Achse aus.
Gegenüber dem fein rollenden Rad wande rt die Aufstandsfläche bei m beschleunigten
Reifen nach vor ode r zurück, je nachdem wie die Umfangskräfte ang reifen, Bild G·42 .
Schon daraus wird offe nsichtlich, das s für den Reifen Brem s- und Ant riebskräfte nicht
g leich wirken .
Betrachtet man die Kraftverteilung in der Aufstandsfläche gcnaucr, so erhält man den im
Bild G-43 idealisiert dargestel lten Verlauf. Der Umfangsschub im Latsch ist nicht einmal
beim frei rollenden Rad konstant und ändert sei nen Verlaufdurch Einwirken äußerer Kräfte
erheblich . Beim anget riebenen Rad liegt das Schwergewicht der Längskräfte im vorderen
Lat schbereich. beim Bre mse n im auslau fend en. Wegen dieser unsymmetrischen Verteilung
der Schubspan nurigen ist der Schlupfbeim Bremsen größer als beim Antreiben.
In einem realen Kennfeld sind die Linien gleichen Schräg laufwinkels tatsächlich nicht
symmetrisch. In Bild G·44 erkennt man einen deutlichen Unterschied zwischen Antreiben
und Bremsen. Reine Bremskräfte (d. h . a = 0°) können schlechter übertragen werden als
Antriebskräfte.
angetri eben ~~
-
,
rollend
gebr emst
s
~"NY2
s:k2
Lats chUn g e
Fahrt -
richtunF
Bild G-42
Verschiebu ng der Reifenaufstandsf läche durch
den Einfluss von Urrrta nqs kr ätten.
z
a nge triebenes Rad
frei rollendes Rad
Bi ld G-4 3 Idealisierter Umfangsschubverlauf im Latsc h. nach [G18].
Über de r Latschläng e ist der Längskraftverla uf in der Reifenaufstandsf läche bei unterschiedlichen Zu -
ständ en aufg etrag en. Die auf den Reifen wi rkende Gesamt krafl ergibt sich du rch Integration der Ku r ve
für d as angetr iebene bzw. g eb rems te Rad über d er Latschlänge.
224 1
2 Reifen
G
~ ~10. SChrAglaufwinilel Cl
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3000
I
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3000
2000
'000
o
'000
2000
3000
-
Bre mskraft FW.~,b IN]
Antriebs kraft Fw
.•.• [N] _
Bild G-44 Beisp iel für ein gemessenes Reifenkenn fe ld [G12].
Un t ersuchter Reifen: Radialreif e n 185/65 R14 86 S. Fülldruck : 1,5 b ar, Radlast: 29 40 N
Die ma ximale Seiten krat t Fw,y betrag t 285 0 N. die größte B remskraft FW,X,b 3130 N.
Dcr Unterschied zw ischen den Umfangskräften hängt auch von der Bauart des Reifens ab.
Diagonalreifen reagieren stärke r auf cinc Umfangskraftänderung - Fronta ntrieb wurde so
erst mit Radia lreifen möglich.
Das Verhalten des Reifens bei Ände rung einzel ner Para meter wird aufPrüfständen qua-
sistatisch untersucht. Beim realen Betrieb verä nde rn Param eter ihre Charakteristik durch
das gleichze itige Auftreten anderer Erscheinungen, wie z. B. Überlage rung einer Seiten-
kraft beim Antreiben und Bremsen, dynamische Radla stschwankungen und Fahrbahnobcr-
ff ächcnbcschaffcnhcit.
Zusam menfassend lässt sich feststellen, dass für g rößtmöglich übertr agbare Umfangs-
und Seitenkräfte der Kontaktdruck im Latsch nied rig und die Druck verteilung möglichst
homogen gehalten werden soll. Für jede Gummimischung gibt es einen Temperaturbe reich.
in dem die höchsten Kraftschlusswert e erreicht werde n. Außerhalb dieses Bere ichs sind die
Reibb eiwerte deutlich kleiner.
2.4 Wahl der Reifengröße Choosing 01 wheels
Bei Serienfuhrzeugen wird bei der Bestimmung der Rcifcnrni ndcstgrößc von der Achslast
bzw. Rad last ausgegang en . Weitere Kriter ien sind Höchstgeschwin digk eit und Verfügba r-
kcit de r Reifendi mension.
Die Reifengrö ße von Rennfahrzeugen wird meist vom Reglement in bestimmten Gre n-
zen vorgegeben. Weitere Überleg ungen folgen aus fahrdy namischen Einflüssen. Reifen mit
kleine m Durch messer sind leichter (u ngcfcdc rtc Mass el) und habe n geringes Masscm r ägb ci ts-
momcnr. Größere Durchmesser senken zwa r den Rollwiderstand. heben aber auch die Radmit-
te und somit zumi ndest Teile des Fahrze ugs zwangsläufig mit, was die Scherpunkthöhe negativ
beei nflusst. (Ein Vorteil ist ei ne Vergrößerung de r Latschfläch e mit steigende m Durchmesser
bei gleicher Reifenbreite. wodurch g rößere Umfangskrä fte möglich sind) Je größer der Rei-
fendurchmesser desto weicher kann die Laufflächenmischung sein, weil die spezifische Bela-
stung des Gum mis abn immt und die Temperatur bei sonst gleichen Verhältn issen sinkt.
G Reifen und Räd er
In einem größeren Rad lässt sich auch eine g rößere Bremsscheibe unterbringe n. Bei gleichem
Außendurchmesser erzielt eine Verklei nerung des Höhen /Breitenverhältnisses des Reifens
denselb en Effek t.
Ein kleines Höhen/Breitenverhältnis führt auch zu seitensteiferen Reifen, was de r Fahre r
als exakteres Reagieren aufLenkbewegungen empfindet und was daher im Extre mfall eine
größere Lenkübersetzung erfo rde rlich machen kann (siehe Kapitel J Lenkung).
Breitere Reifen erhöhen bis z u einem gewissen Wert das Seiten kr aftpotential. vergrö-
ßernjedoch g leichzeit ig den Lu ftwiderstand. Bei Einsitzern mit freiste hende n Rädern (als
Extrcmbcispicl) kann der Ante il der Reifen um Ges amtluftwidersta nd des Fahrze ugs bis zu
40 % ausmachen [GOS].
Durch Prod uktionstolera nzen bedingte unterschiedliche Reifendur ch messer führen zu
richtu ngsabhängigen Fahrverhalten in Kurven. Manche Fahre r wünschen eine KolIernei-
gung (stagger) der Hinterräder. Dabei werden bewusst links und rechts Reifen mit unter-
schiedlichen Durchmessern montiert , was die Kurvenfahrt in einer Richtung durch einen
Kegelroll effekt begünstig t. Diese Maß nahme ist allerdings auf Diagonalreifen und Ov al-
stadien beschrä nkt. Im Allgemeinen werden die Räder jedoch satzweise. also mit gleichem
Durchmesser, ausgesucht um das Fahrverhalten nicht zu ändern [G09]. Reifen mit einem
kleinen Höhen/Breitenverhältnis sind leichter aufden Nenndurchmesse r zu fertigen; ebenso
wie Radial reifen aufgleichen Abr ollurnfang gefe rtigt werden .
Eine Überprüfung, ob d ie Reifenparam eter (Dimension, Gurnmimischung, Fülld ruck.
Radlast, ...) richtig gewählt wurden, wird an de r Ren nstrecke durch Ermitteln der Lauf-
flächentemperatur über de r Reifenbreite vorgenommen, Bild G-45. Der übliche Tempora-
turbcrcich liegt etwa zw ischen Rn "C und \00 "C [GOS]. Es werde n jedoch auch Gummi-
m ischungen eingesetzt, die wesent lich nied rigere Temperat uren brau chen. Solehe Reifen
werden eingesetzt, wenn Reifenvorwärm er verboten sind u nd die Strecke kurz ist. Bei Berg-
rennen ist dies beispielsweise der FalL Der Reifen sollte über de r gesa mten Breite dieselbe
Temperatur aufweisen und alle Reifen des Fah rzeugs sollten äh nliche Werte aufweisen.
Reifen, die nicht den optima len Temperat urbereich e rreichen , sind übe rdimensio niert
und übertragen nicht die Kraftwerte. die bei optimaler Reifenwa hl möglich wären [GOS].
I'IICI 'I ELl N COI'IPET IT ION
-
-
-
.
VOITI,IRE &152-4 ~ ElJRE ~O '10
Not..m
J~"" A 12S0
I,sl 11InH&e.114-1'° 1
A H5'
AI SO
11' !1rj? tHSD IBOI1+1
kYA.IAI1I In
Bild G-45
Temperat urblalt eines Formel-t-Fahr ze uq s [G0 91.
Das Blatt zei gt die Tempe rat uren an drei Stel len vo n allen vier
Räd ern gemesse n n ach einem Traminq sla uf . Die A ntr iebsräder
w eisen höhe re Tempe raturen a uf.
2 Reifen
2.5 Reifendat en Spe cifications
Zum Vergleich zeigt Tab elfe G -5 einige Reifendaten.
Tab. G - 5 Reifendaten vo n ausges u chten Pe nntahrzeuqen .
G
Fahrzeug
Formell [G02]
Forme l Rena ult
[G04)
Dimension
vorne 9.5/25 .5 -13
hinten 13,0126 ,0-13
vorne 16/ 53 -13
hinten 23/5 7-13
Fülldruck
(b ar)
1,4 b is 1.65
1,2 bis 1,3
1,45 (w arm)
1,6 (warm)
Betriebstemperatu r
rci
ca. 120
(l1p ca. 0 ,7 bar)
Ma ssel)
[kgl
9 -10
11-12
11 Reifen und Rad zusammen
2.6 Reifenarten Typ es of tyres
Abgesehen davon, dass die Wetterbed ingunge n sich ändern können , bleibt auch das Reife n-
verhalten an und für sich während ei nes Ren nens nicht konstant, sonde rn ände rt sich durc h
den Einfluss de r z u übert ragenen Kräfte . Durch die Walkarbcit steigt die Temperat ur (Gum-
mi ist ein sch lechter Wärmeleite r) und somit der Reifeninne ndr uck. außerdem ändert sich
das werkstoffverhalten. Die Ru nden zeite n werden dem nach im La u fe eines Rennens in de r
Regel im mer sch lechter. Dar über hinaus ä ndert sich das Fah rve rhalten stark bei Fah rzeu-
gen mit nur einer angetriebene n Achse . Die ange trie bene n Reife n sind gru ndsä tzlich höher
belastet und werden daher härter gewählt als die nicht angetriebe nen. Bei Hinterradantrieb
führt dies zu Unte rste uern im ersten Teil eines Rennens. Gegen Ende der Wettfa hrt bzw.
be vor d ie Reifen gewec hselt werden üb e rsteuert da s Fahrzeug, we il d ie Re ifen de r Hinte r-
ac hse seitenweicher geworden sind als die der Vorderachse. Bei Langstreck enrennen hat
sich eine laufende Kontrolle des Reifeninnendruc ks bewä hrt. Abwe ichungen vom Sollwer t
im Verlaufdes Renn en s werden de n Fahre rn bzw. den Ren ningenieuren angezeigt, so dass
die Reifen bei sich anbahnende n Schäden gewechselt werden können [GI3}.
Ein Re ifen besteht au s etwa 150 versc hiede nen Bes tan dteilen. Das fü hr t zu einer Unme n-
ge an variat ionsm öglichkeiten . 150 ve rschie de ne Reifenlösunge n werden allei n in de r Fo r-
mel I jährlich von eine m Hersteller getestet. Grundsätzlich lasse n sich aber im Rennsport
drei Reifenarten unterscheiden :
a) Trockenreifen: Beste hen au s einer härtere n Gu m mi mischu ng und sind dad urch auch
a usdauernder. Völlig profillo se Reifen (Slicks) wer de n seit 1971 eingesetzt [G05 ]. Zur
Verschleiß kontrolle weise n Slicks ein ige zy lindrische Vertief unge n m it ca. 4 m m Durch -
messer in der Lauffläche auf, die bis zum Ende der nutzbaren Gu mmischicht reichen.
b) Regenre ifen: Weisen eine weichere Gu m mimisc h ung u nd ein wasserdrainie rendes . tiefe s
Profil a uf, das bis zu 90 I/s Wasser bei hohe n Geschwi ndigkeiten verd rä nge n kan n [G02] .
c) Interm ediates: Stellen eine n Komp romi ss der beiden erstgenan nten Typen dar und wer-
de n für ge misc hte Wetterverhält n isse eingesetzt.
GReifen und Räder
Von einem bestimmten Typ werden z udem noch weitere Abstufunge n angeboten. So gibt
es beispielsweise Trockenreifen in den Ausführ ungen: hard, medium. soft und extra-soft.
Diese Abstufungen betreffen in erster Linie die Lauffl ächenmis chung.
Die Wahldes Reifentyps hängtjedoch nicht nur vom Wetter, sondern auch von der Rennstre-
cke ab. Manche Rennstrecken sind für ihren enormen Reifenverschleiß bekannt , von ande-
ren weiß man, dass soga r Soft- Mischungen länger halten als üblich. Weitere Einflussg rößen
für die Wahl der Gummizusammensetzung sind die Lufttcmpcratur, die Fahrbahntcmpc-
ratur und die Strecke nlänge des Rennens. Extra weiche Mischungen werden bei geri nger
Luft- und Fahrbahntcmpcralur und ge ringer Strecke nlänge (ca. 50 km) eingesetzt .
Formel-l-Reifen sind für eine Laufleistung von nur 200 bis JOO km konzipiert. Die
gewünschte Lebensdauer ergibt sieh in vielen Rennklassen aus der Tatsache. dass der Rad-
wechsel schneller vollzogen ist als das Nachtanken d.h. es hat keinen Sinn bei der Reifen-
konstruktion einen Komp romiss einz ugehen. dam it die Reifen länger halten als eine Tank-
fllllung. Serien-Pkw-Reifen erreichen zu m Vergleich je nach Pflege und Fahrweise etwa
25000 - 50000 km. Bei Langstreckenrennen werde n die Reifen bei günstigen Verhältnis-
sen (geringere Temperature n bei Nachfahrt) erst nach 50()bis 70() km gewechselt [Gl3].
bl
ol
Bild G-46 Arten von Reifen.
a Trockenre ifen (Slick)
b asymme t rische r Regenreifen für die Vorderachse
c Formel -1-Trockenreifen mit Rilien
2.7 Ventil Va/ve
Ventile werde n gebraucht zum Bcfüllc n der Reifen und zum Halten des gew ünschten
Drucks. Bei Serienfahrzeugen sind meist Gumm iventile (Bild G·47) zu finden. die bis
zu einem Druck von 4.2 bar eingesetzt werden können. Bei sehr hohen Raddrehzahlen
erfahren Ventile du rch die Trägheit Biegebeanspruchungen. die z u Undichtigkeit füh ren
22 81
--_ .
ro
--_. ~
>
2 Reifen
Bild G-47
Gumrruventüfür schlauchlose Reifen nach
DIN 7780. Snap-ln -ventll.
Der Ventilkörper aus Metall ist in einen
Gummimanlei einvulkanisiert. Das eigent -
lich e Ventil wird in den Venl ilkörpe r einge -
schraubt. Die Abd icht ung zu r Felge über-
nimmt der außen liegende Gummenarrtet
G
können. Bei Sportwagen und Rennfahrzeugen stützt sich daher das Ventil nach außen an
der entsprechend ges talteten Felge ab oder es werden geschraubte Metallfußventile. Bild
G-48, eingesetzt.
Tab. G-6 Gummiventiie, Maße in [mm]
OIN
ETRTO l j
TRA zl
Ventill ochdu rchmes se r
'1
3)
I,
d,
d,
in Felge
+ 0,3 +0,6
+0,4
0
0
0
43 GS11.5 V2-03 -1
TA 413
11.3
42.5 34 15.0 16.0
49 GS 11,5 V2-03 -2
TA 414
11,3
48,5 40 15,0 16,0
43GS16
V2-03 -3
TA 415
15,7
42,5 34 19,2 20,2
11European tvre and rim techn ical o rganisation
2) The tire and rim assocauon Inc, USA
31 Maßbezeich n ungen siehe B ild G -47
33 .5
2.7
'"
.
.'"
[:
>
Bil d G-48 Gerades Ventil mit Metalifuß nach DIN 7782 für Ventilloch in der Felge mit 8.3 mm Durch -
messer .
Das eigentl iche Ventil wird in den da rgeste llten Vent ilkörpe r eingesc hraub t. Auf den Ventilkörper ko m mt
noc h eine Ventilkappe au fgesch ra ubt. Die Dic htu ng zur Felge übernehmen zwe i Dichtr inge wie da rge-
stellt, die jew eils an der In n en - und Außense ite de r Felg e anliegen .
G Reifen und Räd er
3 Räder Wheels
3.1 Anforderungen Requirements
Räder gehören zu den so genannten ungcfcdcrtcn Massen und sollten daher möglichst leicht
sein. Das Massenträgheitsmoment um die Dreha chse soll mögl ichst gering sein, es wi rkt ja
der Beschleunigu ng und Verzögerung entgegen. Der Rund lauf soll möglichst exakt sein.
Räder sollen leicht zu wechseln sein. Sie müssen die von den Reifen eingeleitete n Kräfte
über die Radnabe an de n Radträger weiterleiten.
Bei im Rad unter gebrachte n Brem sen können die Räder auch eine n Beitrag z ur Bremsen-
kühl ung leisten bzw. sie dürfen die Brcm scnbc1üft ung wenigste ns nicht behindern .
Außerdem sind vor allem di e Radschüsseln bzw. - scheiben auch ein Stylingelement.
Bei den heute sowohl bei Serien- als auch bei Rennfahrzeu gen üblichen schlauchlosen
Reifen müssen Felgen auch luftd icht sein und ei ne Sicherheitskontur aufweisen, d ie ein
schlagart iges Entweichen der Luft bei Kurvenfahrt mit abgcs un kcncn Fülldruck verhin-
dert.
Räder erreichen auch bei Pkw-üblichen Fahrgeschwindigkeiten eine hohe Dreh zahl, die
ein Ausw uchten erfordern. Deshalb muss auch Platz bzw. Freira um für Auswuchtmassen
vorhanden sein.
3.2 Bezeichnungen von Rädern Designat ion of wheels
Ein Rad be steht aus Felge (rim) und Radschüssel (wheel disc) . Die Felge nimmt den Reifen
auf und ist für dessen Sitz und Sicherung verantwortlich. Die Innenform von Felgen ist
daher genor mt und be i Ser ienfahrzeugen werden Reifen/Felgenkombi nati onen fr eigegeb en.
Zur Sicherung des Reifens werden Felgen mit einem Hump (eng!. für Höcker, Wul st) aus-
geführt, Bild G-49. Zur Montage des Reifens auf der Felge wird eine Verti efung gebraucht,
da s Tielbett (drop ce nrre) .
Die Befest ig ungsmöglichkeit der Felge zur Nabe stel lt die Radschüssel (Ra dschei be)
dar. Die Flanschebene muss nicht mit der Radmitte zusammenfallen. Im Gegenteil - durch
negat iven Lenkrollra diu s oder Platz bed arf von Rad aufhäng un gsteile n wird ein Absta nd
er forderlich, di e Einpressriefe. Bi ld G-50. Diese kann positi v oder negat iv ausgeführt sein.
Bezeichnu ngsbeispiel eines Rads:
6'hJx16H2BET45
6 1/2 Maulweite in Zoll, entspri cht 165,1 mm
J
Hornausführung
x
T ielbett
16
Felgendurchm e sser Zoll-C ode ,
siehe Tabelle 0-8: dncnn = 405,6 mm
H2
Ooppc1hump , siehe Tabel le G-7
B
asymmet risches Ti elbett
ET45 Einpresstiefe beträgt 45 mm
230 I
aeurwerte b2
I 1_,
rP=!="",
\\ !j=t
( Schräg. i\
sc hulter i~
Horn J
-
·
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·
·
I
ff:=:;;:'R~ I
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I
If
3 Räder
,
.
G
symm etrIsche Tiefbettf el ge
ohne Hump
4 \11 3-}l. ·
i-
RO. 5
S
~
.
•
x
•
'. '.
Planfläche
asymme trische Ti ef be t tfe l ge
ent Hump
11
Flat Humn
,
.
Ventilloc h
asymm etrische Tie fbe ttfelge
mit Flat Hump
Bil d G-4 9 Arten von Felgen und Bezeichnu ngen .
dnenn Fetqenuurcbmesser, venmocncurcnmesser . 8 ,8 mm , 11 ,3 m m oder 15,7 mm.
Bei den dargestellten Q uerschn itten i st d ie reifenseitiqe Kontu r in Normen festgelegt. Dabe i sind der Sitz
und d ie Sicher ung des Reifens wesent lich. Die übr igen Kont uren b leiben den Herste llern üb erlassen .
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Bil d G· SO Aufbau und Bezeichnungen eine s Sche ibenrads mit pos itiver Einpresstie fe.
Dieses Stah lrad wird a us zwe i Teilen - Schüsse l u nd Felg e - zusammengeschweißt.
G Reifen und Räd er
Tab .0 -7 Bezeichnungen der H umps .
Bennenung
Art der Sicherheitsschulter
Kennbuchstabe
FelgenauBenseite Felgeninnenseite
Einseitiger Hump
Hum p
normal
H
Doppelhu mp
Hump
Hump
H2
Einseitiger Flal Hump
Flat Hump
normal
FH
Doppelseitiger Hat Hump
Flat Hum p
net Hump
FH2
xornbmaüo nshurno
Flat Hump
Hump
eH
Tab . 0·8 Felg end urc hm es ser Zoll-Codes
Felgenbezeichnu ng (Zoll-Code)
13
14
15
16
17
,.
19
dnenn [mm]
329,4
354 ,8
380 ,2
405 .6
436,6
462 ,0
487,4
Tab. 0 -9 Wich tige Ansch lussmaße von Serienrädern nach DIN 74 361 Tl
Anzahl der
o Lochkreis
o Mitten-
o Naben-
Gewinde des zugehörigen
Schrauben-
[mm]
loch (mm]
bund d6 Bol zens
löcher
Toleranz: ± 0,1
[mm]
57
56.5
M12x1.5 Kege lb und 60·
4
100
M12x1,S Kege lb und 60·
60
59
M14xl ,5 Kugelbund
4
130
80
79
M14xl ,5 Kugelbund
63
62
M12xl ,5 Kege lbund 60·
5
112
M12x1.5 Kuge lb und
66.6
66
M14xl ,5 Kugelbund
5
120
72,4
72
M12x l ,5 Kege lbund 60·
90
69
M12xl ,5 Kegelbund 90·
5
130
85
84
M14xl ,5 Kugelbund
3 Räder
3.3 Arten von Rädern Types of wheels
Eine grundsä tzliche Übersicht der Arten von Rädern bietet Bild G-Sl. Demnach können
Räder aus einem Stück hergestellt oder aus mehreren Teilen z usamme ngesetzt werden.
Räde r
G
einte ilig
meh rteilig
(1)
.
D "",,",,
~ ClKoklLl enguss
~l Cl Druckguss
gegoss en
geschmi edet
zweiteilig
Bil d G·51 A rten von Rädern.
Zweiteilige Räder bestehen aus Felge und Radstern oder Badschüssel. Dreiteilige Räder setzen sich aus
Außen - und Innen/elge. sow ie dem Radstern zusammen .
Räder werden aus Stahl, Alumi nium- und Magnesiumlegierungen hergestellt. Die Räder
werden in dieser Reihen folge zwar leichter aber auch teurcr. Mag nesiumräder werden im
Rennsport üblicherweise bevorzu gt. Räder aus faserverstärkten Ku nststoffen friste n (noch)
ein Exotendasein . Der Hauptgrund liegt jedoch nur darin, dass sie in vielen Rennserien
vom Regleme nt nicht erlaubt werden. Es gibt einige erfolgreic he Entwicklungen, welche die
geforder te n Abnahmetests bestanden haben.
Eine weitere Unterscheidung von Rädern bietet die Bauweise. Räder lasse n sich in Inte-
gral- und Differenzialbauweise da rstellen. Mehrteilige Räder haben den Vorteil, dass im
Schadensfall nur beschädigte Teile ausgewechselt werden müssen. Darüber hina us kan n
die Maulweite und Einpress tiefe der Felge relativ einfach verä ndert werden und jeder Teil-
bereich ka nn mit dem bestgeeigneten Werkstoff ausgeführt werden, z . 8. zähe Alumini-
um legieru ng für Felge und leichte Mag nesiumlegierung für Radster n. A ls Nachteile sind
nebe n de r höheren Masse zu werte n: Mögliche Undichtigkcitcn bei d reiteiligem Aufba u und
erhöhter Wartu ngsaufwand durch die Vielza hl der Schraubvcrbind ungc n, d ie kontrolliert
werde n müssen.
Einteilige Räder werden nach dem Gießen oder Schmieden de s Rohlings spanend fertig
bearbeitet. Sie weise n daher eine höhere Rundlau fgenauigkeit auf als Mehrteilige. Wobei
in dieser Kategorie Leichtmet all räder wiede rum exa kter laufen als Räder aus Blechp ress-
te ilen.
Einen Vergleich von Alumi nium räder n nach ih rer Fertigungsa rt liefert Tabelle G-IO.
G Reifen und Räd er
Tab. 0 -10 Gegenüberstell ung von Alum iniumrädern, nach [G1].
Herstellu ng
Kriterium
Wer kstoff
Formgestaltung
Oberfläche
Gegen ehern. Ang rif f
Masse bezogen auf Gussrad
Herstellungskosten
Gussrad
GK -AISi12Mg
v ielfältig
lackiert
beständig
gering
Schmiederad
Spa lt rad
AIMgS il F31
AIMgSil F31
einges chränkt
stä rker einge-
schränkt
areessen oxydiert
eocoecn oxycner t
an fällig
anfällig
0 ,82
0,75')
hoch
hoch2)
Darste llung
1) Die se Massea bsenkung beim Spalt rad gegenüber dem Schmiede rad lässt sich mit eine r Ab senk u ng
d er Wöh lerlinie begründen.
2) Das Spaltrad fand aus K o stengr ünd en kein e Akzep tanz arn Pkw-Ma rkt [G06].
.J
-
r
Bi ld 0-52 Gussrad für Pkw mit Tiefbe tt (cesr wheel).
Der Reifen wird durch eine Do ppe lhump-Felge gehalten . Das Rad weist Mitt enzent rier u ng auf, die Befes-
t igung erfolgt über Sch rauben mit Keg elb u nd . Oie Wan d dick en sind unterschiedlich ausgeführt wegen
unterschiedlicher Fest igk eitsansprü c h e an ve rschiedenen Ste llen.
2341
3 Räder
Bi ld G-53 Schm iederad (forged wheel) für Rennfahr zeug m it Tiefben. l3"-Fl-Rad mit Zentralverschluss.
Das Rad kann noch einige Mitnahmebolzen in die Bohrun gen im Nabe nbereich einge setzt erhalten, w en n
diese radseitig vorhanden sein müssen.
G
Bild G· 54 Aufbau eines dr eiteiligen Rades nvee-oece split nm:
Die beiden Felgenteile (l) und (2) sind mit den Sch rauben (5) m it der Rads ch eibe (7) versch raubt. Zwi -
schen d en beiden Teilen wi rd der Dichtringt räger {6} mnceueromt, d er beid seitig Nuten für O-Ringe (4)
au fweist und m it ihnen die Dichtheit für d en sch lauchlosen Reifen herstellt. Das Ventil (3) wi rd in das
äußere Felgenteil (2) geschraubt.
Bild G-53 zeig t ein geschmiedetes Rad eines Rennfahrze ugs. Das Rad wird z unächst aus
e iner Mag nesiumleg ieru ng als Schei benrad geschmiede t. Im A nschluss werden die Spe i-
che n d urch spa ne nde Bea rbeitu ng hera usgearbe itet. Du rch Kugelst ra hle n wird die Wechs el-
festigke it des Werkstoffes erhöht. Bevor das Rad a usgeliefer t w ird, wird es auf Rissfreiheit
unte rs ucht und gerön tgt [G20].
Werks toffe .
Stah lräder: für Felge Dualphasenstahl DP600, für Radschüssel Stahl HR 60 [G06], Bau-
stahl RSt37.
Gussräder- Al umi niu m- Kokille ngus s GK-AISiI2Mg.
Schmiede räder . Alu minium-Knet legie rung AIMgS il F31, Ma gne sium - Knetleg ie ru ng
AZ8 0A (= MgAI8Zn nach DlN EN 1754), ZK 60.
G Reifen und Räd er
Die Dauerfestigkeitseigenscha ften von Leichtme tall en werde n durch Kugelstrahlen erhöht.
Bei Mag nesium kommt der Gestalt ung des Rads eine bedeutende Rolle zu . Scharfe Kerben
und Kanten, sowie schroffe Quersch nittsübergänge müssen vermieden werde n.
3.4 Wahl der Radgröße Choosing 01 tyres
Die Größe des Rades wird einerseits vom gewählten Reifen diktiert, andererseits ist die
Vcrfilgba rkcit von Reifengr ößen ei n ents cheidendes Krit eriu m. Ocr Reifen ist da s wich-
tigste Einzelba uteil und seine Auswahl sollte nicht von einer eingeschränkten Produk tpa-
lettc oder langen Lieferzeiten abhängig sein. Die mit Abstand gängigste Größe im Renn-
sport stel len 13" dar. Die Auswahl unterschiedlich ster Reifen für diese Polgendurch messe r
ist enor m eb enso wie ihre Lagerbestände. 13" sind also erste Wahl [G07]. 1O" -Räder hab en
ebenso wie 12" de n Reiz de r ge ringeren Masse und des kleineren Massenträgheitsmo-
rncnts. Nachteilig sind eben eine geringe Auswahl unterschiedlicher Reifenbreiten sowie
Gummimischungen und das 12" · Rad ist ein ausgeprä gter Exote. Außerdem schränkt ein
klei ner Felgendurchmesser auch den Bau raum für Bremsen und Qucrlcnkcranbindung ein,
vgl. auch Bild G·3.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Art der Zentrierung und Befestigung. Anzahl der
Schrauben und Schraubkreisdurchmesser sowie mitten- oder bolzenzent riert diktieren die
Gestaltung von Radflansch bzw. Nabe. Hier können individuelle Gegebenheiten die Aus-
wah l vorgeben. Wird etwa ei n bestehendes Fahrze ug umgebaut, ist es wese ntlich günstiger
die Räder nach den vorhandenen Naben auszusuchen, als die Naben und alles was dazuge-
hört zu ändern , um die Wunschrädcr montieren zu können.
Die Maulweite ergibt sich aus der Reifenbreite [G08]:
Bei Straßenfahrzeugen gilt grob: Maulweite "" Reifenb reite - OS ' bis 1,5" (ca. 13 bis 38 mm)
Bei Renn fahrzeugen gilt grob: Maulweite "" Reifenbreite + I" bis 2" (ca. 25 bis 50 mm)
Je weiter die Felgenhörner ausein anderliegen. umso breiter steht der Reifen auf der Fel-
ge mit de r Folge einer verbess erten Scitcnkraftübertragu ng. Zu sätzlich verg rößert sich das
Innenvolumen und damit aueh theoret isch die Tragfähigkeit. Beides zusammen bewirkt,
dass eine Maul weitenverbr eiteru ng von '!l" einer Fülldruckerhöhung von 0,1 bar gleich-
kommt. Bei Verwendu ng einerbreiteren Felge ergibt sich also ein günstigeres Kurven- und
Slalomverhalten {i. A. ohne Einbuße an Fahrkomfort) [GIO].
Lastannahmen für die Berechn ung von Rädern basieren auf Telemetrie-Daten und auf
Messungen mit speziellen Mcsszcllcn. die in Radmitte befestigt werden. Dieselben Lasten
werden nat ürlich zur Ausleg ung der Fahrwe rke hera ngezogen .
Für ein Formel-I-Rad sind typische Lastfalle und Werte zur Auslegu ng de r Räder
[0201'
a) Schlagloch: Vertikale Last Fw.z von 16,3 kN mit ei ner Zu satzkraft von 68 kN durch di e
Vorspa n n ung der Zent ralm utter.
b) Kurv enfahrt : Seite nkraft Fw.y von 15 kN und Vcrtikalkraft Fv,',l. von 10,1 kN. Biegemo-
ment A1w.x von 4,53 Nm. Zusatzkraft von 74 kN durch die Vorspa nnung der Zent ralmut-
tcr.
4 Radb efestigung
Das Rad muss diese Belastungen bei einer Betriebstemperatur von 120 "C ertrage n. Die
Lebensda uer von diesen Rädern wird mit max. 2000 km festgelegt. wobei 1000 km davon
im Renneinsatz absolviert werden.
Als kritische Bereiche stellen sich dabei heraus: Der Überg ang von den Speichen zum
Felgenbett. wo beim Vertikalstoß die grö ßte Zugspannung auftritt. und die Innenseite der
Speichen. wo die g rößte {Biege-)Druekspannu ng bei Kurv enfahrt festgestellt wird.
G
4 Radbefestigung
Wheel mounting
Je nachdem. ob ein Rad mit einer oder
mehrere n Schrauben mit der Radnabe bzw.
dem Radflansch versch raubt wird. spricht
man von Zentralverschraubung oder Mehr-
sch raubverbinde ng.
Mebrscnraubverbtndung. Bei Serie nfahrze ugen finde n sich vo rne hml ich Meh rschr aub ver-
bindu rigen . wobei die Zentrierung des Rad s über die Mutte r bzw, die Schraube erfolgt (Bol-
ze nzen trierung holt ceme nngi. Bild G-55 . Die Auflageflächen der Vcrbindu ngsclc mcntc sind
für diese Funktion als Kugel- ode r Kegelfläche ausgebildet. Bild GM56 . Um Dauerbrüche bei
Stahlscheibenrädern zu vermeiden. so ll der Auflagedu rchmesser des anliegenden Bauteils
(also Bremsscheibe oder Radflansch) größer sein alsjener der Radschüssel.
Eine weitere Möglichkeit der Ze ntrieru ng bietet sich über das eng tole riert e Mittenloch
des Rads an (Mittcnzc ntr icrung hllh cenreri ng) . Die Radn abe muss dafür natürlich ebe nso
ein en eng tole rierten Aufnahmeb und au fweisen .
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Bolzenz ent rierung
Mi t t enzentri er ung
Bild G-55 A rten der Radzentr ierung bei Serienrädern.
Bei Bolzenzentrie rung übernehmen d ie Schrauben mit Kegel- o der Kug elbund die Ausrichtung des Rads.
Folglich ist ein rad iales Spiel zwischen Mit tenloc h und Nabenbund erforderlich (siehe auch Tabelle G-9).
Bei M ittenzentrieru ng übernimmt die Zentrie rung ein Bund am Radflansch (Radnabe), der das eng tole -
rierte Mittenloch aufnimmt. Oie Befestig ung des Rads können Flachb undsch rauben ozw -muttern über-
nehmen.
G Reifen und Räd er
KegelIlutter F
,.
KU lle lbund $(:hra ube G
"
,._
.-
•
.
"
"'
Kuod bu nd..utt~r A
•
·1
FlaChbundmutter B
s.
Übliche Festiqkeitsklassen: 8.8. 10,9
Bild G -5 6 Befestigungselemente für Ser ienrä der, na ch DIN 74 361 T2.
Die Elemente im oberen Bild te il sind für bolzenzentrierte. die Flachbundmutte r für mi ttenzentrierte Räder
vorgesehen. In den Da rstellungen sind die w icht igsten Maße ange führt. die in der Tabelle aufscheinen.
Gew inde Schlüss el-
Ausführung
M
wene sw
A
A,F
A,G
F
G
B
d,
d,
R,
a
d"
I,
d,
M12 x 1,5
17
23
14 ,5
12
22,5
21
24
19
15
60'
M12 x 1.5
19
15
90'
19
26
17
14
26
24
27
M14 x 1.5
24
18
M18 x 1,5
24
28
21
16
29
25
29
Alle Maße. au ßer Winke ls, in mm.
23 81
4 Radb efestigung
Z entralverschraubung ce ntral Ioc k
Soll d er Räderta usch rasch erfolgen. biet et sich
eine Ze ntralversc h raubung an. Das zwisc hen
Rad und Radfla nsch bzw.
- nabc zu übertra-
gende Mome nt (A ntr iebs- und Bre msmom ent)
wird groß tcils übe r d ie ax ialen Kon taktfl äche n
übe rt rugen. D ie Mitne hm e rbolz en tdrive pegs.
drive pins) übernehmenje nach Ausführung und Teleranzen auch einen Teil der Belastu ng, ent-
scheidend für die Größe des Moments sind jedoch die Reibung und die Vorspannkraft der Zen-
tralmuttcr. Besondere Vorsicht ist daher angebracht, wenn neue Beschichtu ngen am Rad un d/
oder der Ra d nabe ei ngefü hrt we rden. Diese können d ie Reibverhält n isse wese ntlich red uzie -
ren und bei so nst u nverä ndert er Ausleg ung z u e inem Abscheren der Mitneh merb olz en führen.
Umgekehrt können Beschichtungen in dem Zusa mmenhang natürlich auch hilfreich sein.
Die Mitnahm ebolzen können im Rad (Bild G-57) oder in der Nabe fest sitzen. In der Nabe
sitze nde Bolzen bieten sich für Konstru kt ionen an, d ie von Serienlösungen ausgehend Räder
mit Zentralmutlern befestigen und deren Räder auch Bohrungen für die Serienradschrauben
aufweisen. In diese greifen die Mitnah mebolzen zur Momenten übertr agung (z. B. Bild G· ()()) .
G
Bild G-57
Vorderrad eines Formel- t ·Wagens .
Das Rad w ird mit einer Zentralmutter be-
festigt. Die Drehmomentverbindung stei-
len fünf Bolzen (Pfeil)her.d ie von entspre-
chenden Bohr u ngen des n eone oecr ee
(Bild G- S8) aufgenommen werden.
Bild G-5 8
Radflansch vorne links für das Rad aus
Bild G-57 (Red Bull Sauber Petrönas
C17, t998).
Die Zentra lmutte r ist auf dem Bild auf die
Rad schraube aufge setzt. Die Bohrungen
(Pfeil) dienen den Bolzen d es Rades zur
Drehmomentverbmd onq. Auch w e nn de r
Wagen m ittlerweile scho n lange nicht
mehr im Rennen ist. d iese Art der Ver-
bindung findet man noch heute.
G Reifen und Räd er
Ein Rad mit Zent ralverschraubung kann über die Radnabe mittenzentriert oder über mehre-
re Mitnehmerbolzen zentriert sein . Bild G-59 zeigt ein Rad ei nes typ ischen Formel-I -Fahr-
ze ugs mit Zent ralversch luss wie er an der nicht angetriebenen Vorderac hse ei ngesetzt wird.
Das Rad wird bei der Montage von der Verlängerung des Bremsscheibentopfs geführt bis die
Mitnehmerzapfen in die Aufna hmebo hrunge n der Nabe gleiten. Die Aufnahmeboh rungen
sind hochoval ausgef üh rt, so dass sie die Zapfen nur seitlich führen. Die Zcntra lmutlc r
drückt das Rad über ei nen Kegelbu nd gege n den Bremsscheibe ntopf und die Nabe nschul-
t cr. Die Mutter selbst wird durch Kugeln. die von ei nem Sicherungssc hieber nach außen
gedrückt werden, vor dem Heru nterfallen gesichert .
Bild G-59 Z entralver sch rau-
bung eines Rads bei einem
Rennfahrzeug (Formel 1).
1 Zent ralmutter
center wh eelnut
2 Sicher ungsku gel locking ball
3 Sicher ungss chiebe r
slide control
4 Rad wheel
5 Bremssche ibentopf cuec bell
6 Mitnehm erb olzen drive peg
7 Radnabe hub
4
,
,
-- Jf----+_
1
2
3
4
5
6
Bild G-60 Zent ralv ersc hraub u ng eines Rads (Formel Renault 2000).
1 Rad
2 Mitnehmerbo lzen, in den Flansch d er Radnabe geschra ubt
3 Radnabe
4 Sch eibe
5 Zentralm utt er
6 Sicherung sklammer für Mutter
4 Radb efestigung
Wird durch die Radnab e eine Schraube geführt, lässt sich auch bei " konventionellen" Rad-
naben eine Zentralverschraubung realisieren. Bild G·60 zeigt ein Beispiel dafür. Die Rad-
muttcr drückt über eine große Scheibe das Rad gegen den Radflan sch. Mutter und Scheibe
sind miteinander verhersicher verbunden. Das Moment von Bremsscheibe zum Rad wird
zum Teil über Mitnehme rbolzen übertragen, d ie in den Radflan sch gesc hraubt sind. Die
Zentri erung des Rads übernimmt die Nabe. Eine Sicherungsklammer verhinde rt das Ver-
lieren der Radm utter.
Zentralmutter centrat lock nur. Radmuttern bei Zentralversc hraubung sind aus Stahl,
Aluminiu m-, ode r Titanlegierungen . Stahl bietet den Vorteil Gewicht bei diesem Bauteil
einzusparen und bei den Druckluftsch raubern können diese Mutte rn mit Magneteinsätzen
gehalten werden. Das erleichtert das Aufsetzen und verkürzt so die benötigte Zeit für den
Rad wechsel beim Boxen stopp. Aluminium- und Titanmulle rn erhalten für diesen Zwec k
eine umlaufende Nut im Sechskar n. in die ein Sprengring im Schraubereinsatz einrastet
und so das Teil während des Radwechsels hält. Andere Ausführungen weisen dafü r in den
Sechskarrtflächen Vertiefungen in Form einer Kugelkappe auf. Die Gewindeachse fällt mit
G
a
Bild G-6 1 Radmut te rn für Zent ralverschraubunq .
a Alum inium, b Stahl
b
Bild G·62
Radm ulter eines Zent ralver-
schlus s es (Formel 1 BMW
wuams 199 9).
GReifen und Räder
der Drehachse des Rads zusammen. Damit sich die Mulle rn dur ch ihre Massenträgheit den -
noch nicht lösen, sind die Gewi nde au f der linken Fahrzeugse ite Rechtsgewinde und auf
der rechten Seile Linksgewinde. Somit sind sämtliche Gewinde gege nläufig zur Radd reh -
richtung bei m Anfahren. Die Muttern müssen deshalb vertauschungssicher gekennzeichnet
werden, z. B. mit Parbcodcs: Rechts blau und links rot. Die Muttern müssen jedenfalls
eine hohe Vorspan nung aufweisen. sonst könnten sie sich ja beim starken Bremsen eben-
falls durch ihr e Träg heit lösen. Es gibt auch viele (erfolgreiche) Fahrze uge, die an allen
Rädern Rechtsgewi nde au fweis en. Das vere infacht die Handhabu ng beim Radwechsel und
reduziert den Teileaufwand. Die Ge windeste igung wird verhältnismäßig groß gewä hlt: Bei
Nenndurchm essern von 45 bis 60 mm etw a 2,5 bis 5 mm . Aus Festigkeitsgründe n der Rad-
nabe werden mitunter auch Trapezge winde stall der für Befestigungsschra uben üblichen
Spitzge winde für die Ze ntralverschraubung hera ngezogen. Das Ende der Radn abe erhält
kein Gewinde. Aufdiesem Stück wird die Mutter auch bei der (hektischen) Montage im
Renneinsatz mühelos aufgesetzt und geführt. bis der erste Gewindega ng g reift.
Sicherung de r Ze nt ralmu tter. Die Übertragung des Drehmoments erfolgt auch über Bol-
zen direkt aufdie Bremsscheibe. Eine Sicherung besch ränkt sich dah er aufdie Mutter bzw.
Schraube allein. Die Sicherungen arbeiten formschlüssig und sollen die Mutter vor dem
Verlieren bewahren. Sie müssen so gestaltet sein, dass sie nicht vergessen werde n können.
Bei Forderung nach raschem Radwechsel im Rennen ist die beste Wahl ein Sichcrungsc-
lcmcnt, das vom Schraubwerkze ug selbst beim Aufset zen entsichert und beim Abziehen
wieder gesichert wi rd (z. ß. Bild G·64a/b). Bleibt etwas mchr Zeit für den Rädert ausch. so
genügen von vielen Reglements vorgeschriebene zusätzliche Federstecker o. ä., d ie mit der
Nabe verbunden werden. Allerdi ngs müssen die Mechaniker sich angewöhnen, d iese Art
der Sicherung nach der Demontage am Lenkrad oder am Schalthebel zwischcnzulagc m.
damit der Fahrer sofort sieht. dass sie vergessen wurden. Einige Möglichkeiten aus der Viel-
za hl denkbarer Lösungen für Sicher ungen zeigen die Bilder G-60. G-63 und G-64.
Bild G-63 Sicherung einer Zent ralv ersc hraub u ng.
Die Federklamme r. d ie rot oder leucht orange sein muss, wird nach der M ontag e de r M utter in d ie Nabe
eingesetzt.
4 Radbefestigung
Bild Q·64 Einige Sicherunpsatten von Zentralver schraubungen.
a, b automatische Sich erung: a) Radmu tter gesic hert (Schieber dr außen): Sicherung skugeln überragen
Nab e (weißer Pfeil). b) Radm ulte r freigegeben (Schieber drin nen)
c Feder stecker
d automatische Sicher ung mit Keilen
G
Fahrwerk
Suspension
Das Fahr werk ist neben de n Reifen die wichtigste Baugr uppe eines Fahrzeugs und ins-
besonder e eine s Wett bewer bsfahrzeugs . Seine Leist ung sfähigkeit best imm t wese ntlich di e
Eigenschaften des gesa mten Fah rzeugs.
H
HFahrwerk
1 Funktion Function
Die Hauptfunktion der Radau fhäng ung besteht im Verbinde n des Rades mit de m Fahr zeug
m it einem Freiheitsg rad (s. A nhang). Ocr Freiheitsgrad ist eine im Wesentlichen vertikal
gerichtete Bewegu ngs möglich keit des Rads. Dabei soll das Rad , gcnaucr der Reifen , im mer
den maximal möglichen Kontak t mit der Fah rbahn herst ellen. Sämtliche vom Rad kom -
mende Kräfte müssen zu m Wagenka ste n geleitet werde n und umgekehrt. Denn nu r diese
Kräfte (vom Luftwiderstand beim Bremse n ein mal abgesehen ) ermöglichen die im Kapitel
A Einleitung gewünschten hohen Beschleu nig unge n sicherz ustellen.
Eine Zusatzforde rung kann sein, dass die Radstellu ng sich beim Einfede rn in bestimmter
Weise ändert um das Fah rverhalten stabilisierend zu beei nflussen (aktive Sicherheit). Dazu
kommen noc h Kom fortansprüc he. Die phys ikalisc he n Para mete r be i eine m Straßenfahr-
zeug hierbei sind Radlastschwank unge n und Aufbaubeschleu nigu ngen ; für ein Rennfahr-
ze ug sind nur die Radlastschwank ungen von Bede utu ng. Das eigentliche, die Fahrleist ungen
begren zendeGlied stellen die Reifen dar. Die maximalen Längs- und Querbeschleunigu ngen
hängen von de r Radlast und dem da von abhängi gen Reifenkennfeld ab. Für den Gu mmirei-
fen gilt: Je niedriger der Druck im Latsch und je gleichmäßiger die Druckverteilu ng. de sto
g rößer sind die übertragbare n Krä fte [H05]. Das Reifen verhalten über de r Rad last ist nicht
nur abfalle nd, sondern auch nichtlinear (al s Ergeb nis also degressi v). Das führt dazu. das s
zwei gleich belastete Reifen eine größere Seitenkraft übertragen kön nen als zwei Reifen,
die in Sum me die selbe Radlast tragen, Bild H-1. Dieses Phänomen wird bes onders bei
Kurvenfah rt intere ssa nt, wo es z u Radlastverlageru ngen zw ischen Innen- und Auße nrä-
dern komm t. Das theoretisch ideale Rennfah rzeug hätte demnach keine Radlastversch ie-
bung und ermöglichte so die größte Kurvengeschwindigkeit. welche die montierten Reifen
gestatteten.
außen
innen
a ußen
innen
F",v,o F
.
, Z,o
~
F. ,v,o
F",V,1
F" ,v
.
, V,!
Fv, z
F. ,Z,1
'\F",z
F. ,v,oIF
~ ",z,o
'0
F. ,V,l F
.
, Z,i
~
h
F. ,v,o
F. ,V,1
Bil d H -1 Einfluss der Rad lastve r lage rung a uf die übertragbare Seitenk raft einer Achse (Sc he ma).
Auf der li nk en Bild hä lfte hat das Fahrze ug kei ne Rad lastver lage ru ng. Beide Radau fstands kräfte Fw.z sind
gleich groß. Wegen des ab fallenden Verlaufs der Seitenkratt übe r der Radlast ist die gesam te von den Rei-
fen übertragbare Seitenkraft Fv.y größer als jene auf de r rechten Bildhälfte. Hier tritt eine Radlastv erlage-
r ung !:J.Fz auf. O bwohl der ku rv enä ußer e Reifen dadurch mehr Seiten krat t Fw,y.o erzeugt. ist der kranaoraa
an der Kurven innense ite so g roß. dass in Summe FV,Y klein er i st.
Ba Auf bauschwe rpunkt.
1 Funktion
Folg ende Aufgabc n m üssen also vom Fahrw erk erfüllt werde n:
Aufrcchthalten ein er (mög lichst) großen Konta ktfläche zwischen Reife n und Fahrbahn
bei all e n Fahrz ust ände n.
Sicherstelle n ei ner günstigen Radlastverteilung.
Aufrceh tcrha ltung der Fahrstab ilität.
Ermög lichen ei ner Relativbewe gung zwischen Wagcnkasten und Fahrbah n.
Für ein Wettbewerbsfahrzeug kommen noch folgende Anforderungen hinzu :
ei nfache und vor alle m feine Einstellm öglichkeit von Radstellungsgr ößen. wie Sturz,
Vorsp u r, Nac hlauf, au ße rhalb eine r Werkstättc,
ein fache Einstellmög lichkeit von Fedc r-, Dä mpfer- und Stabilis ator ve rhalt e n.
Syste mz uve rläss igkeit bzw. rasche Ta usch möglichkeit vo n Vcrschlciß tcilc n, wie Gele nk e,
Lage r und Reifen,
bei Fah rzeugen mit ausgeprägter Unterstütz ung durch Aerod yn amik möglichst geringe,
störende Beeinflussun g der Fahrze ug umströ mung durch Bauteile und Aufr echte rhaltung
der gew ünschten Stellung des Wagens zur Fahrbahn, also möglichst wenig Nicken, Rol-
len und Heben,
geringes G ew icht,
Sollbruch bei Unfall ohne Rahmen bzw. Chassis zu beschädigen .
Es gab En de d er 1980er Jah re sog a r schon a usgeführte Variante n von ak tiven Fahrwerken,
also solchen, d ie in Abhängigkeit vom Fahrz usta nd die Räder bc- ode rentlastet haben (Lotus
Honda 99T). Die Vorteile kamen damals in der Formel I nicht so stark zu m Tragen. Grün-
de dafür sind die geringen Fahrwerksbewegungen aufde n üblichen ebenen Rundstrecken,
wobei der voluminöse Reifen selbst schon ein schwingungsfähiges System (also ein eige-
nes Fah rwe rk) darstellt und Einheitsreifen. Die Entw ickler von akti ven Radaufh ängungen
hätten sich eine dazu passende Reifenentwicklung gewünscht. Aber dazu kam es erst gar
nicht, im Gegenteil, das aktive Fahrwerk wurde mit der später oft zitierten Beg ründung "der
unerlaubten Fahrcrhilfc" verbote n.
Anforderu nge n req uiremen ts. Die allge meinen Anforderungen an ein Fahr werk la ssen
sich in einzelnen Kategorien zusammenfassen, innerhalb welcher nach fassbaren Konstruk-
tionskennwerten eine Rada ufhä ngu ng betrachtet werden ka nn [H03]:
Fahr verha lte n, Fahrs icher heit ,
•
Fahrk o mfort ,
Baura umbedarf
Koste n.
Für Rennfahrze uge sind in erster Linie davon nur das Fahrverhalten und - soweit die Aero-
dynami k betroffen ist - de r Baura umbedarf von Bedeutung.
Das Fahrv erhalte n wird ch arakterisiert d urc h die felgenden Kennwerte b zw. de ren Ä nde-
rungen im Fahrbetrieb .
Kennwert e der Radstell ung . Radstand, Spurweite, Sturz, Vorspur, Lenkrollradi us. Sprei-
zu ng, Nachlauf,
Kinemat ische Verä nder ungen der Rad stellu nge Rollz entru msverschieb ung. Raderho-
bungskurvcn,
H
HFahrwerk
elastekinematische Veränd eru ngen der Radstcllung: Steifigkeitcn und Dämpfungsver-
halten der Gum milager.
ungcfcdcrt c Masse n,
Verhalten bei Überlast .
Wird der Fahrkomfort einer Radaufhäng ung bet ra chtet sind folgende Kriter ien im Vorder-
grund:
Schwing ungsv erhalten. Gekennzeichnet durch Feder- und Dämpferabstimm ung.
Schrägfede rung und Querfederung.
aku stisches Verhallen: beei nflusst unter ander em durch Krafteinle itung in die Karosse-
rie,
ur igefedert e Massen,
Anfah r- und Brcmsabst ützung: beeinflusst durch Lage der Nickpole und des Fahrze ug-
sc hwcrpunkts.
Lenka ufwa nd.
Wendekreisdurchmesser.
Der Bauraum einer Rada ufhä ngu ng wird von j enen Baugru ppen eines Wagens beeinflusst,
mit denen sie sich den Platz teilen muss. Das sind de r Motor-Getriebeverband. die Abgas-
anlage und Leitungen. Beim Pkw kommen z usätzlich Tank und Koffe rraum hinzu, beim
Rennfahrze ug a erodyn am ische Hilfsmitt el (Flügel, Diffusor, ...) .
Ausleg u ng dimensioning . Bei der Ausleg ung von Rada ufh ängungen sind also zu be rück-
sichtige n:
Ste ifigkeit des Rahmen s,
Abtriebskrä fte,
Reife nke n nfeld er.
Fahr ze ugge wicht und Gewic htsve rtei lung,
Radstand und Spur weite,
Federn und Däm pfer.
Diese Einflussgrößen hängen teilweise auch zus amme n, aber müssen deswegen noch lange
nicht harmonieren. Eine Fahrwerksentwicklung wird demnach ein Kompromiss sei n, bei
dem die Abstimmung auf die Rennstrecke und die Wetterlage entscheidend ist.
Die Schwerpunktlage des Gesamtfahr zeuges sollte möglichst tief sei n. Dadurch ändern
sich die Radauf..tandskräfte bei Fahrmanövern (Bremsen, Beschleunigen, Kurvenfah rt) nur
wenig und die Auslegung eines bestmöglichen Fahrwe rks fallt leichter. Ebenso sollen die
Massen um den Schwerp unkt konzentriert sei n, da mit die Trägheitsmomente des Wagen s
möglichst klein bleiben . Die erforderlichen Reaktionskrä fte zur Lage ände rung des Fahr-
ze uges bleiben dann ebenso klein bzw. die Lageänd er ung kann ras cher durchgeführt wer-
den.
Radstand und Spurwe ite sind Konzeptparameter und werden daher im Kapitel B Fahr-
zeugkunzept behandelt.
2481
2 Begriff e und kinematische Größen
Die Hinterachse ist für die Fahrstabilität die bedeutende re. Dar über hinaus kan n der Fah rer
die Radstellung an der Vorderachse ja aktiv beeinflussen. Folgendes Verhalten wird a nge-
st rebt:
Ein leicht negat ive r St urz in Kur ven bei sonst ge ringe r Änderu ng des St urzes, idealer-
weise ändert sich der Sturz bei m Ein/Ausfedern also beim Bremse n und Beschleunigen
gar nicht,
möglichst ge ringe , idealerweise ga r keine Spurwe itenände r ung filr g ute Fahrsiche rhe it.
Abst ützu ng gegen Ausfedern beim Bre msen,
Freihe it von ung ünstigen Lenkein flüssen durch elast ische Verfor mungen unt er Ant ricbs- ,
Brems- und Seite nkrä fte n.
Die allgemeine Entw urfsreihenfolge bei der Kon st ruktion von Renn fah rzeugen und Beme r-
kungen dazu finden sieh im Kapitel B Konzept. Die Punkte daraus, die allein das Fahrwerk
bet re ffe n, sind folgende:
I. Reifen
2. Räder
3. Fahrwcrkgco mct ric: Rollzent ru m. Mome nta npo l Einzelrad. Polabsta nd Einzelr ad. ...
4. Nabe n
5. Bre msen
6. Radträge r
7. Aufba ufede rn
S. Dämpfe r
9. Stabi lisa to re n
10. Lenku ng
Auch wenn heutzutage die Möglichkeiten der Simulation mittels Rechner weit vorange-
schri tten sind, e rwe ist sieh de r Fah r versuch vor allem in der spä teren Entwick lungs phase
als aussagekräftiger. Die Sim ulatio n ist (noch) zu unsc harf, als das s s ie zur Proble mlösu ng
wese ntlich be itragen könnt e. Rechne rische Unters uc hungen werden also a m Beginn der
Konst ru ktion gebra ucht, da mit weit re iche nde Konzepte ntscheid unge n rechtzeit ig get roffen
werden können. Im weiteren Entwicklungsverlauf wird ma n danach trachten, möglichst
bald einen erfahrenen Fahre r mit der neuen Achse fahren zu lassen, da mit sei ne Erkennt-
nisse in die Konstruktion einfließen können.
2 Begrif fe und kinematische Größen Terms
Siehe auc h DIN 7000 0 (ISO 8855 modifiziert) : Fahrzeugdyna mik und Fa hrverha lte n,
Begriffe,
Die Stellung des Rads zu m Fahrze ug bzw. zu r Fahrbahn wird durch verschiedene geome-
trische und k ine matische Begri ffe beschrieben, Bild (1 · 2. Das ve rwe ndete Koordinate n-
system ist im Anhang besch riebe n. Diese Größen haben allesa mt ihren Einfluss auf das
Fahr ve rhalten e ines Fahrze ugs.
H
HFahrwerk
' :e-
ha
~
/
/
r.
Bild H-2
Vorderradsteilung
wheel alignment.
t'
Sturz camber
o Sp reizung king p in inclination
r« Len k rollradius king pin offset
a Drehachse des Achsschenke ls steering axis (auch Sp rei-
zungsachse genannt), ihr Abstand a uf de r Fahrbahn -
ebene vom Rada ufstandspun kt ist in y -A iChtung de r
Lenkrouaoos '" und in x-Richtung der Nachla uf fr.~'
r Nachlaufw inkel cssox angle
'"kNachlaufstrec ke kinematisch beding t Irail.
2.1 Begriffe
Sp re izu ng (king pin inclinution) a . Die Spreizung ist der Winkel zw ische n de r Lenk achse
(Sp rcizu ngsachsc) und einer z ur Fahrbahn se nkrec hten Ebene. Mit de r Spreizu ng lässt s ich
bei gege be ner Reife nbreite und gegebe ne m Mindestabsta nd de r Lenkac hse von der Radm it-
te (Brcmszange und Bremsscheibe sowie Felge sind im Weg) ihr Durchstoßpunkt durc h d ie
Fahrbah n ve rä nde rn und da mit der Lenkrollradius ro- Dieser Absta nd zwisc hen de r Radm it-
te und dem Lenkachsenpunkt auf der Fahrbahn hat einen Einfluss auf die Rückmeldung der
Reifenkräfte am Lenkr ad, wenn auch die Bezeichnu ng irreführend ist, weil das Rad beim
Len ken nicht eine Kurve m it d iesem Rad ius ab rollt, so ndern bei Spreizu ng und Nachlauf
ungleich Null eine Bahnku r ve mit wachsen de m Rad ius beschreibt [HOS ]. Eine Spreizu ng
führt zu m Absenken des kur venäußeren Rads (und erhöht so leicht desse n Radlast) und
verringert dessen Sturz na chtei lig z u pos itiven Werte n hin.
Gena ue res z u Ken ngr ö ßen der Lenkgeo metrie und de r Lenku ngsrüc kste llung findet sich
im Kapitel J 2.2.
Sturzwinke l teamher angle) e , Der Sturz ist die Winkelabweichung der Radmittelebe ne zu
einer senk rechte n Ebene a uf die Fahrba hn. Übe r ei nen negat iven Sturz baut auch ein gera-
deaus ro lle nder Reifen Seitenk raft a uf. Bei Kur venfahr t kompensier t ein negat ive r Stu rz die
von de r Seite nführu ngskraft hervorgerufene Defor matio n de s Reifens und ve rg rößer t die
t rap cz för migc Reifena uflagefläche. Ein z u großer statis che r Sturz lä sst de n Reifen jedoch
bei Geradeausfahrt vornehmlich auf einer Schulter laufen. Das ist aus mehreren Grü nden
zu vermeiden. Die Reifenlauffläche kühlt auf lange n Ge raden ab, die Temperatur der bela-
2 Begriff e und kinem atische Größen
H
FW,V,i
Wi
- 'I-j-
1
11
Ba'
J~I
b
\,
///
Fw,v,o
a
Bild H -3 Günst ige Orient ierung d es Sturzwinkels c be i Kur venfahr t.
a be lastetes Rad laden wheel
b ent lastetes Rad urseaen wneet
FBo,y
Trägheitskraft auf Aufbau im Schwerpunkt 80 wir kend. weist zur Kurvenaußenseite
Wo- Wi
Radau fstandspunkt ku rv en auß en bzw . -mnen
FW,Y,o ' FW .V,i Reifense ilen kraft kurvenaußen bzw. -in n e n
stete n Reife nschu lter ste igt und der Reibwer t verr inge rt sich. Der Laufst reifen selbst hat
nicht den vollen Kontakt über die Reifenbreite zur Fahrbah n, sondern kantet auf und die
Traktion wird auch aus diesem Grund geringer. Dar über hinaus kommt dieser Nachteil
sowohl beim Bremse n als auch beim A ntreiben z um Tragen . Die Auswi rk ungen des Auf-
kantcffckts nehmen mit der Reifenbreite zu. Auße rdem reduzier t ein zu großer Sturz die
Reifenlebensdauer.
Bei Dopp clqucrlcn kcrachscn hängt der Sprciz ungswin kcl über den Radträger direkt mit
dem Sturzwinkel zusammen.
Es gibt unter schiedliche Definitionen des Vorzeichens eines Stu rzwinkels. Entscheidend
für den Seitenkra ftaufbau eines Reifens bei Kurvenfahrt ist die Neigung des Reife ns zur
Seitenkraft. In Bild H-3 sind daher für ein belastetes und ein entlastetes Rad günstige Rich-
tunge n des Sturzwi nkels (ohne Vorzeichen) eingetrage n.
Nac hla uf castor. Die Rollwiderstand skräfte wirken richtungsstabilisier end auf ein Rad,
wenn sie in Fahrt richtu ng hinter der Lenkachse ang reifen. Eine Nachlaufw irkung erze ugt
so ein Nachla ufw inkel r oder eine Nachlaufstrecke "r.k (Bild H-4 ). Für eine Nachla ufsrrc -
ckc muss die Lenkachse nicht gcneigt sein. sondern kan n auch senkrecht stehen und um den
Betrag der Nachlaufstrecke vor der Rad mitte liegen.
Bei einigcn frontgetriebenen Pkw war soga r Vorlauf zu finden. In dem Fall haben die
Antriebsk räfte die Vorde rr äder in die Geradeauss tellung gedrückt.
Eine gesc hickte Kombina t ion a us positive m Nachlaufw inkel rund negative m Nachlauf-
vcrsatz nt ver ringert die Nachlaufstrecke "r.k und zeichnet sich durch folgende Vorteile aus,
Bild H-5:
die Beeinfluss ung des Lenk moments du rch Bodenunebenheiten wird verringert. weil die
kinematische Nach laufstrecke kleiner ist.
die Sturzän der ung verstärkt sich vorte ilhaft beim Lenkeinschlag.
HFahrwerk
Fahrtri chtung
<~
""c'="='='"='~""'
<-
·
.
-- f"-:Q--
a
W
r, .J
"~
b
Bild H- 4 Erze ug ung eines pos itiven Nach la ufs.
a Sch rägstelien de r Lenkach se um den Nachlaufwinkel T. Die kinematische Nachlaufstrecke rr,~ ist der
Abstand zwischen dem Radauts tendsoun kt W und dem Durchstoßpun kt de r Len kachse du rc h d ie
Fahrbahn . Eine Seitenkraft w irkt über den Hebela rm n"k auf die Lenkachse.
b Versetzen der Le nka c h se um de n Nach la ufversatz (easter o ffs et ) n, . Seitenkrafthebela rm n"k und
kinematische Nach laufstrecke ' T,k werde n gleich.
a
Fahr t ri cht ung
<~
.<
w
- r;,k
b
Fahr t rich tun g
<~
~
r
,,'
Bil d H- 5 Varianten de r Nachlaufbildung.
a Vor lauf du rch neg ativen Nach laufwinke l r .
b neg ativer Nach la ufversalz n. in Kombination mit positivem Nachlautwinkelr.
Schräglau fwinkel (slip angle) 0.. Dadur ch dass der Laufstreifen des Reifens beim Ein-
laufen in die Kontaktfläc he zur Fahrbahn bei m Einwirken einer Seitenkraft sich allmäh-
lich verformt, schließt die Reifenmitte nebene mit der tatsächlichen Bewegu ngsrichtung des
Reifens einen Winkel ein, den Schräglaufwinkel. Bild 11 -6, vgl. auch Bild 0 -27. Auch die
Seitenkraft wird in de r Aufstandsfläche beginnend bei der einlaufenden Kante erst aufge -
baut, erreicht einen Höchstwert und fallt dann ab, sobald der Laufstreifen wiede r von de r
2 Begriff e und kinem atische Größen
Fy
c
~I
~~I~
V\
0_
b
rT,T
Bi ld H -6 Nachla uf r•.T' reifenbedingt {Ansicht von unten}.
v
Beweg ungsrichtung (effektive Spu r des Reifens a uf de r Fahrbahn) vehicle heading
c
geomet rische Spur de r Radebene auf der Fahrbahn tyre heading
bungestö rt e Reifense itenkontur
AT Reifenaufstandsf läche (Latsch) cootsct patch (foolprint)
Fy Seitenk raftverte ilung über der Latschlänge
Fw.y resu ltierende Seitenk raft resulting lateral force
r.,r r eifen b edin q ter, von der Seitenk raftve rte ilung in de r Radaufstandsf lache abhängiger Nachlauf,
ca. 10 bis 40 mm bei Pkw,
!J.y Versch iebung des Radaufstandspunktes infolge Se itenkraft
a
Sch räglaufwinke l slip angle
Fahrbahn abhebt. Diese unsymmet rische Seitenkraftve rte ilung hat ihre Result ierende hin-
ter dem Rad aufstand spunkt. Dadurch kommt es z u ei ner Nachla ufänderung und die Seiten-
kraft erzeugt ei n Moment um den Rada ufsta ndspunkt. da s so genan nte Rückstellmoment.
Radstand twheel hase) l. Der Radstand ist der Absta nd von Mitte vorder- bis Mitte Hinter-
ac hse, Bild H-7, und hat ei nen maßge bliche n Einfluss auf das Fahrve rhalten, siehe Kapitel
B Konzept.
Spurweite (tra ck) b. Eine weitere fahrdynamisch wichtige Größe ist die Spurweite, Bild
11·8. Sie w ird wie der Radstand früh in der Entwicklung ei nes Fahrzeugs festgelegt und
wird dah er im Kapitel B Konzept behandelt.
Boden abstand (ride height) h rer. Der Bodenabstand wird als leicht messbare Refer enzg röße
herangezogen, wenn es um das Fahrzeugniveau über der Fahrbahn geht. Das ist z. B. für das
Setup des Fahrwerks oder de r Aerody namik wichtig. Der Bodenabstand ist im Allgemeinen
nicht die Bodenf reiheit (vgl. Bild F-l). Zur Messung werden beliebige Bez ugspunkte ve r-
wendet, die sich gut zugänglich am Rahmen befinden.
H
i
CD
'CD
/
1
Bild H-7
Radstand I wheel base.
HFahrwerk
w,
b
Bild H-8
Spu rweite und Bodenabstand
track and nde height.
W1• w, Rada utsta ncspunkte
links bzw, rechts
b
Spurweite
CI. Crs belieb ige rah me nfeste
Bez ugspunkte lin kS
bzw. rec hts
h rel,l' h re1.rs Bodenabsta n d lin k s
Wrs
'
bzw. rechts
Vorspur toe , Der statisc he Vorspur winkel ist der Winkel , der sich bei stehendem Fah rzeug
zwischen der Fah rzeugm itteleben e in Längsrichtung und der Sch nittlinie der Radmittele -
bcnc eines Rads mit der Fahrbahnebe ne ergibt, siehe Bild H-9.
Durch die Elasrizitätcn in de r Radaufh äng ung und in de r Lenk ungsbetätigung (Spur.
sta ngcn, Gelenke. Zahnstange•.. .) werden die nicht angetriebe nen Räder vom Rollwi-
derstand nach hinten ged rückt. Sollen sie während der Fah rt parallel stehen und so den
geringsten Rollwiderstand aufweisen, müssen sie im Stillstand zur Kompensation der Ela-
stizitäten zueinander verdreht werden, also mit positiver Vorspur angestellt werden. Bei
angetriebenen Rädern sind die Antr iebskräfte aussc hlaggebend. Diese versuchen die Räder
nach vorne zu drücken. Solche Räder erhalten vorteilhaft eine Nachspur. damit sie beim
Antreibe n parallel stehen.
Allge mein g ilt fü r die Vorderac hse :
Vorspur bei Fahrze uge n mit Hecka ntr ieb,
Nachspur bei Fahrzeugen mit Fronta ntrieb und positivem Le nkrollh alb messe r.
Vorspur () bei Frontan tr ieb u nd negativem Lenkrollhalb me sse r.
.--J'/lv
J
b(I,'
I!- ,0
,.. ~-"7i-
I
I:
~
,-,r
11
,
I
-
~-- -----1- - -
\
1,
I
I
I
Bild H-9 Definition des Vorsp urw inkels definitiO n ot toe .
0. -, 0 Vorsp urw inkel eines Rads [0]
Vorspur r.\,l - 12
-
I, [m m]: Werte gemessen an den Felgenhörn ern in Höhe der Radm ille (DIN 70020).
pos itive Wer te - Vorsp ur toe -i n, negative Werte - Nachsp ur soe-oot
2541
2 Begriffe und kinematische Größen
Durch ei ne Vorspurstellung des Rad s wird die Reifenebe ne aus de r geradlin igen (rein rol-
lende n) Bewegungsrichtung verdre ht, Bild H-9. Dem Reife n wird so also a uch bei Gerad e -
a usfah rt ein Sehrägla ufw inkel a ufgezw ungen. Dadu rch entste ht eine Seite nk ra ft, die alle r-
dings durch das symmetrisch angestellte andere Rad derselben Achse kompensiert wird.
Diese r Effekt einer Vorspurst el lung verbessert d ie Sta bili tät des Ge radea uslau fs . Der Roll-
widerst and dieser Achse - her vorgerufen dur ch die Ant eile der Seiten kräfte entgegen de r
Fahrtri chtu ng - wird aber grö ßer.
Wie eine Nachspurste llung hel fen kann den Ro llw ide rst an d ei nes gest ürzte n Rads z u
ve rri nge rn, wird anh an d von Bild 11·10 deutlich. Ein Reifen mit negative m St u rz ( Beisp iel
im Diagramm E = _ 5°) erzeugt auch bei Geradea usfahrt (a = ()O) eine Seitenk raft FW,Y,r-
Diese Seite n k raft w ird zwar d urc h das a ndere Rad d ieser Achse ins Gleic hgewic ht gesetzt,
der Rollwiderst and erhöht sieh jedoch. Verschiebt man die Kurve um den Betrag Ov,o naeh
rec hts, so verbleibt keine Seite n k ra ft bei Geradea usfa hrt. Der Rollw iderst a nd wird ents pre-
chend verri ngert. Das Rad muss z um Erreichen dieses Zustands den Nachspurwinkel Oy,O
e rhalte n.
H
Seiten kraft d urch negat iven Sturz
no twendiger Nachspurwinkel pro
Rad für senenk rantreen Ge rade -
auslauf trot z negativen Stu rzes
·2
'..
o2
4
6
6
Sch raglauf win kel
10
o ("J
12
BildH-l0
Verringe rung des Ro llwiderstands ei nes
gestürzten Rads d urch Nachsporstel-
lung.
Fw.v
.,
",.0
An Ren nfahrzeugen wird die Vorspu r an der Vorderachse etwas größer als bei Serien-
fahrze ugen gewählt. Das erhöht die Reifente mperat ur [H04] und verbessert das Einle nkve r-
halten. Ein erhöhter Rollwiderstand muss da fü r allerdings in Kauf geno m men werden. Die
Werte liegen bei etwa 1° [HI3]. Ähn lich verhält es sich an der Hinterac hse.
An d e r Hi nte rachse ist wegen des Fahrverha ltens w ichtig , dass die Vorspurwinkel links
und rechts gleich groß sind.
Rollz entrum (1\1omcnta npol, Wankzentr um ) roff center. Das Rollzentrum Ro ist der
Momentanpol (s. Anhang), um den sich aufgrund kinem atischer Gesetzmäß igkeiten der
Fah rze ugau fb au gegenü ber de n Radaufsta ndsp un kte n ohne jegliche Elast izi täten verdre ht
[HOl]. Er ist also das gedac hte Verbind ungsgc1enk zwischen de m Aufba u u nd de n Rädern .
H Fahrwerk
Über dieses "G elenk" werden auch die Seitenkräfte zwischen Reifen und Aufbau übertra-
gen.
Für Vordcr- und Hinterachse exist iert je ein Rollz entr um. das in Konstruktionslage (s.
Anhang) in der Achsquerebene auf der Fahrze ugmittelli nie liegt, Bild 11-11 .
Zur Konstruktion des Rollz entrums werden die Drehpole der Räder im Bez ug z ur Fahr-
bahn (= Radaufstandspunkte W) und die Drehpunkte der Räder im Bezug zum Fahrze ug
(= Q uerpole P) gebra ucht. Ocr Schnittpunkt der Ge rade n d urch Wund P für linke und
rechte Wagenhälft e liefert den Drehpol des Fahrze ugs im Bez ug zur Fahrbahn. das Roll-
zentr um Ra.
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W,
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e
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"h Ro,rf
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I
b,/2
...............
Bewegung des Rad-
"
auf standspunkt s W
Bild H- 11 Kon str uktion d es Rollzentrums Ro einer Doppe lquerlenkerachse mit parallel zur Fahrb ahn
liegend en Querlenkerachsen. Es wird die Hinterach se betrachtet.
Bo Aufbauschwerpun k t (body ceree o f gra vity ) des M ass enanteils rn80.r der auf der Hinte rachse
lastet
P Querpol instantan eous cemer
Der Radaufst andpunkt W wird als weiterer Gelenkspun kt in einem Koppelg etriebe ang esehen. das durch
den A ufba u. die Lenker und d ie Räder g ebildet wir d.
Ocr Abstand M Bu zwischen dem Rollzentru m und dem Aufbausehwerpunkt bestimmt das
Moment. mit dem bei Kurven fah rt die Trägheitskraft den Aufbauantei l dieser Achse z um
Wank en bringt. Je geringer der Absta nd. desto kleiner das Wankmoment. Ein möglicher
Nachteil des Aufba uwa nkens liegt in der zwangsläufigen Ä nderu ng der Radstellung. Die
Räder sind über die Lenker mit dem Aufbau gekoppelt und ändern so beim Wanken des
Aufba us den Sturzw inkel und/oder die Spurwe ite. was die mögliche Reifenseitenk raft und
die Fahrstabilität beei nflusst .
Interessant ist auch die Strecke zwischen Radaufstandspunkt W und dem Querpol P.
Diese stellt ein e gedachte Schwinge dar. mit der sich ein Rad beim Federn relativ zum
Aufbaubewegt. Die Länge dieser ..Schwinge" und die Lage des Q uerpols P bestimmen die
Spurweiten- und Sturzänderung beim Federn. Je größer der Abstand PW ausfallt und je
geringer die Höhe p. umso geringer sind die Änder ungen.
2 Begriffe und kinemati sche Größen
Betrac htet man ei ne Wagen hälft e. gilt:
H
2
M=L~S'hR . -
o.r b
r
M Ände rung der Spurweite einer Achsseite [rnm]
Die gesamte Spurweitenänderung ergibt sich also aus der
Summe beider Achsseiten. M t= MI +M rs
Jis Ände rung des Radhubs. bei dem M auftritt [mm]
ö, Spurweite hinten [mm]
hR\l.r Höhe des Rollzentr ums der Hinterachse [m m]
An der Vorderachse gilt die Gleichung sinngemäß mit dem Index f
Für hohe Fah rstabilität und gute Seirenführung sind also ein niedrig liegendes Rollzentrum
(hRo.r <) und eine große Spurweite (br » vorteilhaft.
Der Abstand des Querpols P vom Rada ufstand spunkt W tswing axle lengfh) liegt etwa
zwischen SOOund 4600 mm [HO?]. Kurze Querpolabstände (500 bis 1000 mm) führen zu
brauchbaren statischen Rollzentren mit günstiger Stellung des kurvenä ußeren Rads beim
Wanken. aber z u ungü nstigen Sturzänderungen beim Bremsen oder Beschleunigen also
beim gleichseitigen Federn.
Große Querpolabstände (1800 bis 4600 mm) bewirken niedrige Rollzentru mshöhen
mit geringen Spurwe itenänderungen. Die seitlichen Verschiebungen der Rollzentren beim
Wanken nehmen allerdings zu. was sich in eher ungünstigen Stellungen des kurvenäußeren
Rads äußert . Beim gleichseitigen Federn macht sich eine geringe Sturzänderu ng vorteilhaft
beme rkbar.
Wird der Querpolabsta nd noch g rößer gewählt. nähern sich die Querlenker einer Achs-
seite der Parallelstellung. bei welcher die Räder sich beim Wanken äußerst ungünstig mit
dem Wagenk asten mit neigen.
Die Höhe eines Rollzentrums ist noch aus einem anderen Grund von Bedeutung. Ein hohes
Rollzentru m führ t zum Anheben des Wagenkastens durch die Reifenseitenkraft. so gena nn-
ter Aufstützeffekt Uacking) Bild H- 12. Ein hoch liegendes Rollzentrum bedeutet gleichzei-
tig hoch liegende Querpo1c. Bei hoch liegendem Querpol bzw, bei kleiner Höhenänderung
des Querpols beim Federn passiert folgendes. Das Fahrze ug federt kur venaußen weniger ein
als es innen ausfedert. d . h. der Schwerpunkt wird angehoben und somit das Wankmoment
ung ünstig vergrößert. Eine Höhenä nderu ng des Rollz entrums hilft diese Asy mmetrie der
Federkraftä nderung z u verringern bzw. gänzlich zu eliminieren [H( 5). Beim gleichseitigen
Einfede rn soll das Rollzentru m dem zufolge nach unten wandern.
Die Neigung der Resultierenden FRo.rst hängt neben der Höhe des Rollzentrums auch von
der Größe der Reifenseitenkräfte ab. Je größe r die Radlastverlagerung ist. desto mehr domi-
niert das kur venäußere Rad und desto steiler zeigt die Resultierende nach oben. Das Bild
zeigt auch. dass bei hoch liegendem Querpol Pi das kurveninnere Rad einen Beitrag FW.Z .i
zu m Absenken des Wagenkastcns liefert.
HFahrwerk
i nnen
W'
FW,V,i
~
p.
FlI, z ,o
F"" ,v,o
-.
- FM,c.L
-
--'
P,
---
"W
FlII,v,o
0
P,
Bil d H -12 Au fstötzettekt Uacking) eines ho hen Bcäzentnms. Ansich t von hinten, Rech ts ku rve.
Oben: Das ku rvenä ußere Rad erzeugt wegen der höheren Radlast d ie g röße re Seilenführungskraft Fw.v
.
o'
Seid e Reifenseiten kräfte Fw.y rufen als Aktonsk rätte d ie Reakt ionskraft ttt ee . 8 y de r Aufbaumasse hervo r.
Diese Reaktionskraft stützt sich über die Rad lenker und A ufba ufedern ab, de r A ufbau dre ht sich um das
goäzent rum.
Unten: Ersatzbild für di e oben d arges tellte Situa tion . Bet rachtet wird nur die A uswirkung der Seitenkratte.
Die Kräft e werden d urch die gedachten Schw ingen, d ie sich d urch die Querpo le Pi und Po ergeben, zum
Auf b a u weite rgeleitet. Dort r ufen sie im Rallzentrum Ra d ie result ierende Reakt ians kraft FRo,rs l hervor. Die
Reaktionskraft weist nach oben, he bt also den Rahmen an. Je hö her das Rollzent r um liegt. desto stärker
wir kt sich di eser Aotst ützettekt aus.
Liegt das Rollzentr um auf gleicher Höhe mit dem Aufb auschwerpunkt. so müssen die Auf-
bau federn bei Kur venfahr t kei ne zus ätzlichen Kräft e (hervorge r ufe n durch die Trägheit)
übert ragen und der Aufbau wankt nicht, vgl. Bild " -13. Ein hohes Rollzentrum führt aber
auch zu g roßen Spurw eitenänder ungen beim Einfedern und beein flusst so mit die Seiten-
führu ng ungünstig. Selbst bei Pkw sind die Rollzentren daher meist unter 150mm Höhe zu
finden, an Rennfahrzeugen unter 40 mm. Der Bereich für letztere liegt grob zwischen - 25
(also unter der Fahrbahn) bis 50 mm Höhe, siehe auch Tabelle H-l.
Die Lage des Rollzentr ums beeinflusst das Fah rverhalten au f vielschichtige Weise. Dabei
darfnieht vergessen werden, dass sich je nach Radaufhängung die Lage des Pols beim Ein-
federn und Wanken (mitunter sogar stark) ändert, Bilder 11·14 und 11·1 5.
Wankt der Wagenka sten stark, kommt es zu einflussreichen Sturzä nderungen der Räder.
Gewöhnlich neigen sich die Räder mit dem Aufb au, also nach kur venaußen. Das kur ven-
äußere Rad redu ziert demna ch seinen negati ven Sturz ode r geht gar in po sitiven Sturz über
und d as innere Rad geht in negativen Sturz. Dies wirkt sich ungünstig für die Seitenkraft
beider Reifen aus. Für hohes Seitenk raftpotent ial mus s wenigst ens das höher belast ete kur -
venäußere Rad im negat iven Stur zberei ch bleiben. Das ka nn d urch ents prechende Gesta l-
2581
2 Begriff e und kinem atische Größen
H
FW,Z,i
b
t-
Bild H-13 Einfluss der Rollzentrumshöh e auf die Radlast bei Kur v enfahr t (Ersatzbild Ansicht von
hinten, Linkskurve).
Der Wagenkasten und d ie ungefede rten M as sen sind getrennt dar gestellt (.f rei gemacht "). Die Verbin-
dung zwischen den beiden Massen stellt das Rollzentrum Ro da r. Weitere K räfte Fsp werden über die
Aufbaufedern übe rtragen. Oie Trägheit sk raft m so' a y w ird letzt lich euren d ie Seitenk räfte Fw,yausgegli-
cneo.
Bo A ufbauschwerp unkt (Schwerp unkt der gefederten Ma ssen)
Indizes: i kurveninnen. 0 kur venauß en. Y seitlich, Z verti kal, W rad bezogen
P"
Bol
:0-
Bo
l ----1<-'
-
,
-~Ra----
~
-----
Bild H- 14 Lageände rung des Rollzentr ums Ro beim g leichseitigen Einfede rn.
Für die linke Wagenhälfte liegt de r Que rpol PI übe r der Fahrbahn u nd dam it das Rollzentrum ebenso.
Federt der Wagenkas ten ein (rechte Hälfte), wandert der Qu erp ol p. s nach unten sowie nähe r zu r Wagen -
mitte und da s Rollzent rum Roz kommt unter d er Fahrbahn zu lieg en .
Ba Aufbauschwerpunkt.
tung der AuflJäng ungskinematik siehergestellt werde n. Auch das Neigen de s Wagenk asten s
sollte aus dem Grund klei n gehalten werden. Das kann durch ein hoch liegendes Rollzen-
tr um (gc naucr: durch geringen Abst and zwisc he n Rollz ent rum und Aufba uschwer punkt)
erreicht werden , Dagegen spre chen einige oben angeführte G ründe. Ande re brauchbarere
Möglichkeiten bieten steifere Aufbaufede rn. Stabilisatore n und ein nied riger Aufb ausch-
wcrp unkt. Beim Einsatz von Stabilisatoren darf jedoch nicht vergessen werden, dass sie
Vorteile der Einzelrada ufhängung mit zunehmender Steifigkeit verringe rn.
H Fahrwerk
P,
Rc
-----
Bild H -15 Lage ände rung des Rollzent r um s Ra beim reinen Wanken d es Wagenkastens.
Der Wagenk asten rollt um den Winkel <p , Dabei federt das linke Rad ein und das rechte aus , Die Querpole
de r linken und rech ten Radaufhängung , PI und Pr•. nehmen stark un terschiedliche Pos itionen ein und
dadurch lieg t das Rollzentrum Rc außerha lb de r Mitleiebenen des Wagens.
Zusammenfassend lassen sich folgende grundlegende Aussag en fcsthahcn:
Niedrige Rollzentren führen zugeringerer Radlastverlager ung zum kurvenäußeren Rad.
kleineren bis gar keinen Aufst ützeffekten. aber zu großen Wankwin kcln des Wagc nka-
stcns. Diese Wankwinkel müsse n von Stabilisatore n klei n gehalten werden.
Bei hohen Rollzent ren ist es gcnuu umgekehrt .
Nachste hend sind fü r einige Achse die Konstruktionen de r Rollz ent re n a ngefü hrt . Die Kon-
str uktio n de r Pole für eine allgem eine Doppclqucrlcnkcrachsc ist in Bild H-16 beschr ieben .
Rilc kans icht
Rc
6
0-
5
P
r
w
'_~I
Seitenansicht
AZ
3+
X
5-0,1
-
0
..
",W
/
Kon . t~ukt1 o n Rollz .nt~u . Ro
1. Seitenansicht: Punkt e C und D = Schnitt ·
punkte der Drehachsen ~ bzw . ~ mi t der
Senk~echten (Paral l el e zu Z-Achse) dur ch
bzw.4.
2. Rilckansicht : Querpol P • Schnittpunkt der
Verb1ndungsgeraden ~ und 04 .
3 . Rilckansic ht : Roll zent ru m RO = Schnittpun kt
der Verbi ndungsgeraden PW mit der Fahrze ug-
ertteieeene.
Kon strukt i on Ni ckpol 0
Seit enansicht : 0 = Schnittpunkt de r Par al lele n
zu ~ durch 1 undderParallelen zu;;durch 4.
Bild H -16 Konstrukt ion des Rollzentrums Ro und des Ni ck pols 0 einer Dcppelquene okerachse m it
schräg im Raum liegenden Dopoetquenenkeracnsen.
W Radau fstandspunkt
260 I
2 Begriff e und kinem atische Größen
H
Az
,
p
Bild H-17
Konstruktion des Rollzen trums Re
fü r radfüh rende Federbe i nac hse
(McPherson -Achse).
E ist der wagenseilige Befest igungs-
punkt des Fed erb eins. Die Ver-
bind ungslinie steht normal auf die
Bewegungsrichtung der Dämpfer-
koloenstanqe .
Eine radfüh rende Federbeinachse (Mc Phcrson-Achsc) stellt bei Pk w an der Vorderachse
den Standard dar. Die Konst ru ktion ihres Rollz entrums ist in Bild " -17 dargestel lt.
Il interachsen rear axies. Beiden filr die Hintera chse bedeutenden Ausführungen ist die Starr-
achse trot z ihr es Alters nach wie vor interessant. Sie wird in einigen Renn serien. vor allem in
Übersee, eingesetzt. Im Bild 1I-ISb gilt es zu beachten, dass der Drehp unkt der Schwinge des
Wattgest änges rahmenfest ist. Diese Ausführ ung ist für Rennfahrzeu ge wesentlich günstiger
als je ne bei Serienfahrze ugen übliche, wo die Schwinge an der Achse befestigt ist.
I
I
I
-
~~I
Ro
2
T
1:':1
T
I
I
~
~~
I
1~ 1,,/
T
2
T
I
Ro
1
~
~
~
Bild H· 18 Konstru k tion des Rollzent rums Ro für Starrachsen.
a Starrachse mit Panhard-Stab . Ro ist der Schnittpunkt des Stabes mit der Fah rzeugmitteleb ene.
b Starrachse mit Wattgest änge. Ro ist der Drehpunkt des Verbindungshebels.
Drau fs ic ht
1
Rückansicht
w
Bild H-19
Kons trukt ion des Rollzentrums Ro für
Scnräqlenkerachsen.
Die Konstr uk tion beginnt in der Draufsicht. Die Ge-
rade 12 je tert den Q uerpol P. In der Rückans icht
folgt aus dem Schnitt von PW mit der Fahrzeugmit-
teiebene das Rallzentrum Ra.
H Fahrwerk
I,
BQ..; .. •• _
••_
••
..- ..- ..-..,.
•
i
Bild H-20 Rollachse rouexe.
Ra Rollachse
RO j Rollzent r um Vorderac hse
Ro, Rollzent r um Hinterachse
"
Hauptl rägheil sach se in Längsr ich tung main inert ia axis
Be Autteuschwerpuokt body centre of gravity
","
--- --
IRo,
.-.
//
/
FZ.o.dyn = FZ .O
.Sl31 + !'lFz
FZ.i,dyn = FZ .i.S131
-
liFz
Rolla ch se roll axis. Die gedachte Verbindu ng der Rollzen tren von vorder- und Hinterred-
autbä ngu ng ergibt d ie Ro llachsc.
Theoretisch ist der Abstand des Aufbauschwerpunkts von der Rollachse der Hebelarm ,
über den du rch die MassenträgheitderAufba ubeiSeitenkräften geschwenkt wird. Wenn der
Aufb auschwer punkt auf der Rollachse liegt, kommt es also zu keiner Seitenneig ung. Prak-
tischen Ausführungen steht dem entgegen, dass sich die Rollachse beim Ein- und Ausfedern
ändert, dass die Schwerpunkthöhe nicht konstant ist und dass es bei Radaufhängu ngen mit
hohem Rollzentrum zu großen Spurweiten- und Sturzä nder ungen beim Fede rn komm t.
Der Radsturz ist eine Größe. die d as Seitenführungspotential des Rades stark beeinflusst.
und hat bei der Ausleg ung des Fah rwerks höhere Priorität. Weiters wird die Rollsteifigkeit
einer Achse auch von der Höhe des Roll zentru ms bestimmt. Die Radlastdifferenz zw ischen
kurveninneren und -äußcrcu Rädern vergrößert sich mit der Roll-ucifigkcit. Ein über der
Fahrbah n liegendes Rollzent rum liefert einen Beitrag zur Vergrößerung der Radlastdiffc-
rcnz. Liegt das Rollze ntru m unter der Fahrbahn, ist dieser Beitrag negativ und die Räder
werden gleichmäß iger belastet [HOl].
Durch eine Neigung der Rollach se lässt sich unterschiedliches Wankverhalten an Vorder-
und Hinterachse und damit unterschiedliche Radlastverschiebung an den Achse n erreichen.
Ist das Rollzentru m an der Hinterachse höher, ist bei Kurvenfahrt die Radlastverlagerung
an d ieser Achse stärker und der Wagen wird übersteuern d. Die gesa mte Radlastverlagerung
des Fahr zeugs hängt nur von Schwerpunktshöhe hßo und Spurweiten b ab:
Gegenüber den statischen Rad lasten
verändern sich bei Kurv enfahrt die Rad-
lasten außen (0) und innen (i) um den
Bet ragliF z·
Mit der Lage der Rollachse wird dem nach nur die Aufteilung de r Radlastverlager ungen
zw ischen den Achse n beeinflusst.
Das nied rigere Rollzent rum findet ma n zwar oft am leichteren und/oder niedrigeren
Fah rzeugende. Jas kann aber beileibe nicht als allgemeingültige Empfehlung ausgespro-
chen werden.
2 Begriff e und kinem atische Größen
Nickpol pitch center. Nicken ist die Drehung des Wagenkastcns um die Querachse. Beim
Bremsvorga ng er folgt vorn ein Einfedern und hinten ei n Aus fede rn; der Bug des Aufb aus
taucht ein. und das Heck hebt sich an.
Gena uso wie Einzelra da ufh ängu nge n in der Rückansicht Momentanp ole haben . kön nen
an Achsen. die durch einen oder zwei Lenker {bzw, ein Dämpferbein) geführt werden. in
der Seitenansicht beidseitig Nickpole 0 vorha nden sei n (Bild er }I-21 bis 11 -23 ). An diesen
stützen sich die Achsen in Längsrichtung am Aufbau ab. Der Nickpol ist also das (augen-
blickliche) Gelenk . mit dem ei ne gedachte Schw inge mit dem Wagenka sten verbunden ist.
Die Lage des Nickpols beeinflusst die Nachlaufände rung beim Einfedern und die Ent-
stehung von Reaktion skr äften . die dem Nicken des Wagenka stens beim Bremsen oder
Beschleu nige n entgegenwirke n. Je höher der Nickpolliegt. desto g rößer sind diese Reakti-
onskräfte. Das führt aber auch zu einer großen Nachtaufänder ung beim Binfedern. was an
H
'-'"
....-:::"r:'~o,x
o
Bild H-21
Konstruktion des Nickpols 0 bei
Doooelq oerlen kerachsen .
Der Nickpo l 0 ist de r Schn ittp unkt der Parallelen
zu den w agense itigen Drehachsen der Querlenke r
d urch d ie raot räqe rsempen Gelenke.
~ Fahrt ri chtung
Bild H·22
Konstruktion des Nickp ols 0 bei radführenden
Federbe inachsen .
Der Ni ck pol 0 ergibt sich aus dem Schnittpunkt
de r Parallelen zur wagenseit igen Q uerlenkerd reh -
ac hse d urch das Radgelenk mit einer Nor malen
auf d ie Fed erb eina chse durch die karosse riefeste
Anbindung des Federbeins.
. Draufsicht
01-'
I
-l ~d
I
2
Rücka nsicht
o
o
Seitenansicht
.'
Bild H-23
Konstruktion des Nickp ols 0 bei
Scnr äqlenkerachsen.
Der Nickpo l 0 ergibt sich aus dem Du rchstoßpun kt
de r Drehachse (Verbi ndu ng der Gelenke 1 u nd 2)
des Sch räglenkers d urch d ie Radmillenebene.
FY.Y.r
'10.r =
F
l/w.y
·
YJ.r
H Fahrwerk
der Vorderachse nur in Grenzen erw ünscht ist. weil die Lcnkrückstcllkraft bei einer extre-
men Kurvenfahrt unter Umständen zu groß werden kann. Außerde m weicht das Vorderrad
beim Einfede rn nicht nur nach oben, sondern auch nach vorne aus (es schwingt ja um den
Nickpol). also gcnau einer Bode nwel le entgege n. Das führt zu ei ner schei nbare n Verhärt ung
der Federung und verschlechtert zumindest den Komfort.
2.2 Entwicklungszi ele Design goals
Güteg rad der Settenkrattverteüu ng 11G" Ist das Verhältnis der tatsächliche wirkenden
Seitenkraft FY.Y pro Achse zur theoretisch möglichen :
f",
'/ G.f Güteg rad der Seitenkraftver teilung vorne l-l
v.v.r
'ku =
f',
" G.r
Güteg rad der Seitenkraftvertei lung hinten [-]
J1 w.y
·
V.Z ,f
F
Y
.
Z
.
f
Achslast vorne [N]
Fy.Z
.
r Achslast hinten [N]
p\v.Y Reibbeiwert in Querrichtung [-]
FY.Y .f Seitenkraft auf Vorderachse wirkend [N]
FY.Y .r Seite nkraft auf Hinterachse wirkend [N]
Eine ideale Seitenkraftve rte ilung (110 = 1) erhält man mit Seitenkräften proport ional zu den
Radlasten verteilt. Dann wird am kurveninneren und am kurvenäußeren Rad derselbe Reib -
wert p\v.y in Anspruch genommen. Dafür ist eine Einzelrada ufh ängung vorteilhaft.
Eine extrem geringe Schwerpunkthöhe erleichtert das Erzielen hoher Gütegrad e. weil
dann die dy namischen Radlasten sich nur wenig von den statischen unterscheiden .
Vorspur. Möchte man mittels der RadauflJängungskinematik den Güteg rad der Seiten-
kraftv erteilung verbesse rn. so muss ein Lenkeffekt erzeugt werden. bei de m z. B. beim
Rollen an der Hinterachse das kurve näußere Rad und an de r Vorderachse das kurveninnere
Rad in Richtu ng unterst euernd verdreht wi rd (Bild H-24 ).
Wird die Untersteueru ng ode r zumindest das neutrale Verhalten bereits du rch andere
Mittel ausreichend erreicht. da nn wi rkt auch die entgegengesetzte Verdrehung der gegenü-
berliegenden Räder ode r beides zusammen gütegradverbessernd [HOl].
Beim maximalen Einfedern oder Wankendarfdas Rad in keine Nachspurstellu ng gedreht
werden. Das filhrt sonst zu einem unerwünschten Lenkeffekt des kurvenäußeren Rads in
Richtung Kurvenaußenseite. An der Vorderachse fördert das also Untersteuern. an der Hin-
terach se Übersteuern .
Nachlauf Ein Nachlauf der Vorderräder sorg t für stabilen Ge radeauslauf des Fah rzeugs
erhöht aber auch das Lenkmoment. Ein großer positiver Nachlaufwinkel führt bei Kur-
vcnfahrt am kurvenäußeren Rad zu einer Sturzände rung Richtu ng negativer Wert e. Die-
ser Effekt wird durch große Sprcizungswinkcl verstärkt. Beim Einlenken ist diese rasche
Sturzänderung im Prinzip vorteilhaft, kann aber auch in weiterer Folge zu nichtlinearem
Unte rste uern führen. Deshalb wird ein Kompro miss zw ischen der nachlaufbedingt en
Sturzänderung beim Lenken und jener durch Wanken des Wagenaufbaus ges ucht. Durch
aerodynami sche Abtriebskräfte wird die Radlast erhöht und damit das Lenkmoment. Dahe r
wird bei Rennfahrzeugen mit starken aerodynamischen Hilfen der Nachlaufwinkel sehr
2641
2 Begriff e und kinematische Größen
bf.i
Bil d H- 24 Vorspurwinkel .Jr.i und .:::1 ,.0 zu r Verbesserung des G üteg rades de r Seiten kraftvertei lu ng be i
gleichzeitige r Förderu ng der Untersteuenmqsten cenz. nach [HOl).
Erhält das kurveninnere Vorde rrad und das kurvenä ußere Hinterrad eine Vorspur erhöht sic h der Güte-
grad der Seitenkrattverteikm q. Vor allem an de r Hinterachse kann damit das Fahrverhalten in Richt ung
neutral oder sogar unterst euernd eingestellt werde n.
klein gewählt. Die Obergrenze bei Schürzenfahrze ugen der Formel 1 in den 19XOer4 Jahren
lag unter 2° [H13]. Übliche Werte finden sich im Bereich 2 bis 6°.
Sprei zu ng. Für kleine bzw. negat ive Lenk rollradien sind große Spreizu ngswinkel crfor-
derlieh. Um die Sturzänderung beim Lenken gering zu halten wird an Rennfahrzeugen die
Spreizung klein gehalten. Dies urnso mehrje breiter die Reifen sind. Die Winkel an Formel-
l-Bodcncffcktfahr zcugcn mit Schürze n lagen bei 1,5° [H13]. Übliche Wer te liegen um T ,
wobei kleiner e Winkel besse r sind [H7].
Bei Pkw wird gerne ein negativer Len krollrad ius vorgesehen. weil dieser stabilisierend
beim Bremsen wirkt. Wird näm lich mit links und rechts stark unterschiedlichen Reibver-
hältnissen der Fahrbahn gebremst. entsteht ein unfallträchtiges Giermoment . Ein negativer
Lenkrollradius erze ugt auf der Seite mit mehr Reibung ein Lenkmoment. das dieser Gier-
bewegung (oh ne Fahrere influss) entgegenwirk t. Ein ähnlicher Effekt wirkt sich auch vor-
teilhaft bei diagonaler Bremskreisaufteilung bei Ausfall eines Bremskreises aus. Bei einem
Rennfah rzeug soll der Lenkrollradius möglichst wenig von Null abweichen. damit störe nde
Einflüsse auf die Lenkung vermieden werden. Ein negativer Lenkrollradius hat vor allem
für einen Rennfahrer den Nachteil, dass bei einseitig wirkender Bremse die Lenkung zur
Seite mit der geringe ren Reibung zieht und zwa ngsläufig eine Fehleinschätz ung des Fahrers
hervorruft. Dieser wirdja darau f reagieren und genau in die falsche Richtung gegenlenken,
also die beginnende Gierbewegung verstär ken [H05].
Der Spreizungswinkel ist auch für die Lenkungsrückstellung eine wichtige Größe, siehe
Kapitel J 2.2 Lenkung
H
HFahrwerk
Brem s- und Antah r ntc kausgfetch anti dive an d anti squat. Die Trägheitsk raft des Fahr-
ze ugs bew irkt beim Bremsen und Beschleunige n eine Nickb ewegung des Aufbaus. Beein -
flusst wird diese Bewegu ng durch die Verzöge rung bzw. Beschleunigung, die Schwer-
punktshöhe. die Steifigkeit der Aufbaufeder n. den Radstand und Fahr werkgeo met rie . Beim
Fahrwerk ist die Lage der Nickpole von entscheide nde r Bed eutu ng. Eine sta rke Nickbewe-
gung ist vor allem filr Fahrze uge mit Flügeln und Bodeneffekt störend, weil sich dadurch
zwangsläufig der Anstellwinkel der Strömung sowie der Bodenabstand und da mit die
Abtriebsk räfte ände rn.
Die Abslülzung der Bremskräfte einer Achse erfolgt durch den gedachten Lenker, der
sich um den Nickpol dreht. Die Abstützkraft geht also du rch den Rada ufstandspunkt und
durch den Nickpol. Den Winkel, den der Kraftvektor mit der Fahrbahn einschließt, nennt
man Bremsabstützwinkcl e bz w. Anfah rabstützw inkel ode r Sch rägfcdcr ungswi nkcl (dia-
gon al springing angle) X.
An den Nickpolen stütze n sich also die Achsen in Längsrichtung am Aufb au ab und
außerdem die durch die Bremskraft FBhervorgerufenen Momente. Voraussetzung hierfür
ist, dass die Momente in de r Radaufh ängung selbe r entstehen, also die Bremse sieh außen
im Rad befindet.
Linke und rechte Aufhängung sind im Allgemeinen gleich, so dass die durch die momen -
tane Stell ung der Lenker bestimmten Pole beidseitig die gleiche Lage haben und von einer
Nickachse Ojvorn gesprochen werden kann sowie einer hinteren 0 ,. Befindet sich Ojhintcr
der Vorde rachse, so erfolgt beim Bremsvo rgang ein Hochdrücken des tauchenden Bugs.
Ein vor der Hinterachse liegendes 0 , sorgt für ein Herunterziehen des ausfede rnde n Hecks.
Wande rt die Nickachse ins Unendliche (d. h . sie ist praktisch nicht vorhanden), erfolgt die
Längskraftabstützu ng in den Radmitten. was auch für den Fall de r in nen (am Ausgleichsge-
triebe) angeordneten Bremse zutri fft. Hier kann dem Bremsta uchen d urch gleichgerichtetes
Sch rägstelle n de r beide n Doppel-Q uerlenker begegn et werden , Bild " -25. Wie aus dem
Bild ersichtlich, bewirkt die als F " W.X .b von der Rad mitte senkrecht zur Spreizachse ver-
schobene Bremskraft in den Lenkern die Reaktionskräfte FEx und FGx' die (bedingt durch
die Schräglage) die senkrechten Komponenten - FE
.
z=FE.x
.'tana und -FG,z = FG.x
· tanß
hervorr ufen. Kräfte in einer Wirkungsrichtung müssen Null sein, d. h., +Fe.e und +FG.z
wirke n de m Einfed ern d es Vorderwagens e ntgege n. Zwei in dieser Weise sch räg liege nde
Lenker haben wohl den Vorteil keiner Nachlaufände rung. aber den Nachteil, beim Einfc-
dem nach vom auszuweichen (also in Richtung des Hindern isses). Eine derart ige Lenke r-
anordnung er möglicht fast 100 % Bremsnickausgleich.
Bei außenliegender Brem se ist ebe nfalls ein Schrägstellen de r Lenker erforderlich, um
ein Nickze ntr um und somit Reaktionskräfte in Hochrichtung zu bekommen; beide Lenker
müssen jedoch gegeneinander verschrä nkt sein, Bild 11-26. Der link e Bildteil zeigt die Sta-
tik mit der (gege nüber der Anord nung mit innenliegender Bremse) deutlich g rößer gewo r-
denen Komponente FG,z hervorgerufen du rch die bei außenliegender Bremse höhere Kraft
FG.x
= F'W.X .b + FE,x (bei sich innen befindender Bremse warjaFG,x = F'W,X,b - FE,x)'
Die Forder ung nach Verringeru ng des Bremstaueheus verlangt eine dicht am Rad und mög-
lichst hoch liegende Nickachsc: beides hat je doch eine starke Nachlaufän der ung zur Folge.
Für die Vorderachse muss deshalb ein Komp romiss zw ische n günstiger Lage und vertret-
barer Änderu nggefunden werden, an Hinterachse n dagegen sieht es anders aus. Hier können
die Nickpole 0,dicht vor die Achse gelegt werden. Die mit dem Nickze ntrum verbu ndenen
2 Begriffe und kinem atische Größen
H
Aufbau
<:== Fahrtrichtung
•
E
F //!/
1II, X ,b
+FE,z+Fo,z
--
"
. FE,z, ?
~\
-
7
~F'"
\
f..Jr.x.h
~
" 111 ,X';'b "
--~-~-~
-
,
-
F'
IF
,
-Foz~
Fo, x
k
FlII,z
///y ~//
r
F.x.,
~-
Bild H -2 5 Nic kp ol bei innenliegender Bremse. nach [H16].
Be findet sich die Vorde rradb remse inn en am A usg leichsgetriebe, so kann dem Bremstauchen durch
gleichgerichtetes Schrägstelien der Lenker entgegengew irkt we rden (links). Die Brems kraft ist dabei als
um den Betrag a unt er de r Radm itte lieg end zu betrachten {rechts). Da das Radlager keine Momen te in de r
Radebene überträgt, o. h , das Rad und der Rad träger sind keine sta rre Einheit, ist die Brems kraft Fw,x , 1) in
de r Radmitte zu bet rach ten. Es entsteht das Moment M I) - P W,X ,I) . ' a' Die Bestimmung der K räft e FE,< und
FG.~ in d en Radgelen ken E und G erforde rt ein weiteres Verschieben senkrecht zu r Spreiz achse: FWXI)
komm t da durch als F"W.X,b um den Betrag a - fa ' sin Q unter der Radm itte (fdy,J zu liegen, Der Bremsab-
stützwin ket ergibt sich bei dieser zu Anordnung zu z - (11 + ß)/2.
Auf bau
<:== Fahr t r icht ung
/
F'
\
\
F,
~~- -F:~i;:~ ~-~
'"
F
-/-_'-
"c.
F"'"
•
---+---.\j-1r!l--~
Fo,x I
Fq -. !~~7/
W,X ,b
"F
~'
u w,z
__
,,~'-'- ,
/ ~/,
G·,
E'
FW,X,b
Bi ld H -2 6 Nickpol bei Lage der Bremse im Rad. nach IH16).
Zur Verringerung des a rerosteocreos sind be i a ußen liege nder B remse die Lenker gegeneinande r zu ve r-
schränken (links). Ausgehend von der um a unter dem Boden liegenden Bremskraft P W,X,I)sind d ie K räfte
FE.~ und FG.~ zu best imm en. D ie dem Tauchen des Vorderwagens entgegenw irkenden Komponenten sind
dann +FE.z un d +FG. z
' Durch d ie Bremszange bilden das Rad und de r Radträger be im Bremsen eine star re
Einheit {rech ts). Um d ie Reak tionskräfte in den Radge lenken E und G bestimmen zu können. ist die Brems-
kraft FW,x, 1)als P W,X,I) senkrecht auf die Spreizachse zu versch ieben: diese komm t um a - ' a • sm o unter
dem Boden zu l ieg en bzw . über diesem bei negat ivem L enk renhalb m ess er.
H Fahrwerk
Radstandsänd erung dürfte auf das Fahrverhalten keinen Einfluss haben; als Beweis können
die Renau lt-Pkw-Modelle (R4. 5 und 6) dienen, bei denen links und rechts unterschiedliche
Radstände vorhanden waren [H06] .
Werden die beim Bremsen bz w. Beschleunigen auf das Gesamtfahrzeug wirkenden Kräf-
te bet rachtet, so erg ibt sich ei ne Möglichkeit den Brems- bzw. Beschleunigungsausgleich kt
bzw. k'l. zu bestimmen.
FB= //IV,I 'Ux
Fß Gesamtbremskraft [N]
//IV,l Gesa mtm asse d es Fa hrzeugs [ kg]
« ; Verzögerung Im/s2]
Die aus der Trägheit des Wagens resultierende Gesamtbremskraft ist:
Diese ru ft an den Reifen der Vorderachse die Bremskraft FW.X .B.f bzw. an der Hinterachse
FW,X,Il,r hervor, Bilder 11 -27 und U-28.
FW,X,8 ,f
Bild H· 27 Berechn ung des Brem snickausgleichs k. in Prozent bei Außenbordb remse.
V Fahrzeugschw erpunkt
k = f;"l(hv-ulJl) 'IOO O/< · k
= Ily -ar ,lOOOkk =hV-ur '100%
f .g<>
Fe'''v
0. '.f
Ir
v
0,
'$
"v
D~
•
F,
V
\~- ()
>
s:
,B ,t
0,
0,
Bil d H-28 Berechnung de s Brems nickausgleichs k · , in Prozent b ei lnnenborob remse.
k' r=/'v-{lf .IOO%; /.; '
= 11\,- u;' IOO %
f.
h
v
,.r
h
v
2681
2 Begriffe und kinem atische Größen
Der Zahlenwert für den auf d ie Achse bezogenen Brem snickausgleich aus Bild H-2H ent-
spricht auch dem Beschleunigu ngsausgleich k.1. ' wenn das Antr iebsmoment nicht über die
Radaufhän gung abgestützt wird. was j a dur ch rahmenfeste Achsgetriebe im Allgemeinen
der Fall ist.
Bild 11 -29 zeigt ein rein grafisches Verfahren zur Ermittlung des Ausgleichgrads.
Der Radstand / wird entsprechend der Aufteilung der Bremskräfte geteilt und an dieser
Stelle eine senkrechte Gerade eingetragen. Der Abstand hv von der Fahrbahn zum Fahr-
zeugschwerpunkt entspri cht 100 % Bremsnickau sgleich. Der Sch nitt punkt der Geraden
durch Radau fstandspunkt und Nickpol mit der Senkrechten liefert den Prozentsatz des
Nickausgleichs für diese Achse. Im geze igten Beispiel weist die Vordera chse 60 % und die
Hinte rachse 80 % Bremsni ckausg leich au f.
k . = (/I../_'_. ~
kr,fbzw. r Bremsnickausgleich vorne bzw. hinten [-] bzw. [%]. je
e.t
I!Ivc
nach dem ob rp dimensionslos oder in %
(/Ir bzw. r vo rder- bz w. Hintcrachsbrcmskraftantcil [- Jbzw. [%]
f/Jr==Fw.x .ß.rl Fli (mal \00 in %) und
f/J, = I - f/Jr bzw.100- f/Jr
e
Brcmsabsrützwinkcl [0]. e = arcta n (eie)
e, c, hv• I Strecken [rnm], siehe Bild H-29
Ein Bremsnickausgleich von \00 % für eine Achse bedeutet. dass die Vorderachse beim
Bremsen nicht einfed ert und die Hinterachse nicht ausfede rt. Liegt der Wert für die Hinter-
achse über WO % , so wird die Trägheitsbewegung überkompensiert und der Wagen senkt
sich hinten beim Bremsen ab.
Bei den meisten Rennfahrzeugen ist die Bremskraftaufteilung zw ischen v order- und Hin-
terachse vom Fah rer verstellbar. Bei einer Verstellung der Bremsk raftaufteilung ändert sich
der Bremsnickausgleich entspre chend mit. Die Reak tionsk räft e de s Nicka usgleichs wach-
sen mit den Bremsk räft en vergleichbar mit. Bei Fahrzeugen mit hohem Abtrieb können in
der Anfangsphase der Bremsu ng enorme Bremskräfte erze ugt werden. die je nach Nick-
ausgleich entsprechende Reakt ionsk räfte in das Fahrwerk einleiten. Das führt zu erhöhter
Gelenksreibung und verminderter Federungswirkung - das Fahrwerk bewegt sich im
Extremfall gar nicht mehr. Aus diesem Grund werden bei Rennfahrzeu gen höchstens 30 %
Bremsnickau sgleich vorges ehen. An Fo rmelwagen und Sportprototy pen wird praktisch gar
kein Ausgleich angewandt. an Tourenwagen mit Frontmotor etwa 20 bis 30 % [H23].
Bei Pkw finden sich Bremsnickausgleichswerte zw ischen 14 - 48 % vorne und 4()-1 20 %
hinten.
H
F. , x,a,l
c
1
Bild H -29 Grafische Ermittlung des B remsntckausqlelc hes. nach {H18].
H Fahrwerk
/
k~[%l
10
o
1
d
/
/
Bild H-3 0 Grafisches Verf ahr en zur Ermitt lung des Antahrausgtelchs .
Wie beim Bremsen komm t es auch beim Beschleunigen zu einer Achslastverlager ung und
einem Nickmoment. Nur in dem Fall nach hinten und da mit zum Einsacken des Hecks.
Dadurch komm t es zu einer unerwünschten Sturzänderu ng der Antriebsräder. Die Lage des
Nickpols O, der Hinterachse beeinflusst die Ausg leichswi rk ung de r Reaktionsk räfte. Die
Ermittlung des Ausgleichgrads erfolgt daher grundsätzlich wie beim Bremsvorgang, nur
mit dem Unterschied. dass nur eine Achse Kräfte aufnimmt und dass diese Kräfte auf die
Radmitte wirken, weil das Moment der Gelenkwellen am Aufb au und nicht um Fahrwerk
abgest ützt wird (also wie bei einer innenliegenden Bremse). Bild H-30 erläutert ein gra-
fisches Verfah re n.
Analog zu Bild H-29 wird der Rad stand I gemäß der Aufte ilung de r Antriebskräfte FX.A.r
geteilt. Im Fall des hier vorliege nden Einachsantriebs wird die senk rechte Gerade direk t am
Radau fstand spun kt der Vorderachse aufgetragen. Die Höhe hv bis zum Fahrzeugschwer-
punkt V repräsentiert ]On% Anfahmickausglcich, d. h . der Wagen bleibt beim Beschleuni-
gen parallel zur Fahrbahn. Eine Parallele zur Geraden du rch den Nickpol O, und den Rad-
m ittelpunkt der Hinterac hse schneidet die Se nkrechte im entsp rechenden Ausgleichswert .
Im Beispiel sind das RO % Anfahrnickausg leich.
Ig
k=_.-
(mal ](}O in %)
Xhvd
kX Anfah rnickausgleich [-] bzw. [%]
g. d Strec ken [mm], siehe Bild H-30
X Anfahrabstützwinkel [0]. X = arctan (gM)
Liegt der Nickpol O, obe rhalb der Radmit te. erfolgt beim Besch leu nigen ein Ausgleich
der einsackenden Trägh eitsbeweg ung durch das Hochd rücken des Hecks. Befindet sich de r
Nickpoljedoch unterhalb der Rad mitte. wird das Heck beim Anfahren zusätzlich herunte r-
gezoge n. Anders als an der Vorderachse stört ein hoher Nickpol an der Hinterachse beim
Einfedern nicht. Das Rad schwingt beim Ausweic hen ei ner Bode nwelle na ch hint e n , a lso
im Sinne einer Nachgiebigkeit von der Erhebung weg. Denn och wird an Rennfahr zeu-
gen der Nickausgleich nicht zu hoch inst alliert , wei l z u hohe Reakt ionskräfte die ausgl ei-
chende Wirkung einer federnden Achse aufheben und die Traktion der Reifen da runter
leidet ( Lcistu ngs übcrstc uem). Der a ngest rebte Ausgleichsgrad ist abhängig vom Leistungs-
gew icht (Motorleistung/Fahrzeugmasse) des Wagens und überschreitet kaum 20 %. Mit
abnehme ndem Leist ungsgewicht nim mt auch der Bedarf nach einem Anfahrnickau sgleich
ab.
2 Begriff e und kinematische Größen
Radhubkinematik kinematics ofwheel tra vei. Die maxim al e Radh ubb ewe g u ng betr äg t
bei Rallyefah rzeugen etwa 250 mm, bei Rundst reckenfahrze ugen meist nur 25-50 mm .
Dadu rch ist bei letzteren der Einfluss des Radhubes auf die Stellung des Reifens vergleichs-
we ise ge ring. Dennoc h mus s die Tendenz d er Radstell ungsä nde r ung d as gew ü nsc hte Fahr-
verhalte n hervorrufen, damit man sich dem physikalische Opti mum nähern kann.
Ebenso können allge mein nur tendenzielle Aussagen ge macht werde n, welcher Verlauf
geometrische r Kennwert e g ut und welcher schlecht ist . Erst recht gilt das natürlich für
Zahlenwerte. Trotzdem folgen nachstehend einige Diagram me mit beispielhafte n Ausle-
gunge n.
Vorspu r. Für Pkw gilt grob: An der Hintera chse soll beim Einfedern (äu ße res Rad beim
Wanken) bei ma xi malen Fede rweg kei ne Vorsp uränderung auftrete n. Bei Kurve nfahr t
kann eine Vorspuränderung jedoch hilfreich sein untersteu ernd es also dynamisch stabiles
Fah rverhalten zu erzielen: Bei 3000 N Reifenseitenkraft. die etwa 30 mm in Fahrtr ichtung
hinter dem Radaufstandspunkt wirkt, soll an der Hinterachse die Vorspurä nderung des kur-
venä uße ren Rads ca, 0 ,3° betragen und an der Vorderac hse 0°. Die Hinte rac hse ist in de m
Zusammenha ng die wichtigere. Ein unerwünschtes Eigenlenken der Hinterachse ist für den
Fahrer viel schwerer zu kompensieren alsjenes de r Vorderachse, dieja durch die Lenk ung
direkt vom Fahre r bee influsst wird. Letzteres gi lt auc h besonders bei Rennfahrzeuge n. die
ja hohe Geschwindigkeiten erzielen und für ruhiges Fahrverhalten ei ne stabile Hinte rachse
benöt igen.
Sta rke Vorsp u rä nderu ngen beim Fede rn erhöhen auch den Reife nversc hleiß. Dies ist vor
alle m bei Langstreckenfahrzeuge n bedeutend , wei l sich dad urch die Reife nwec hseli nte r-
valle merklieh verkürzen. Das wieder um ist ein Aspekt der rennentscheidend sein kann.
H
E
.=. 30
.........
Bild H-31
Akzeptable Vorspuränderung beim Federn.
Die Werte ge lten für germreiten au f Asphalt und stellen den
verlaut für das Vorderrad (I) und das Hinterrad (r) dar .
Sturz. Der zu läss ige Sturzwink el hängt vom Reife nfabrikat, vom Lei st ungsgewicht. vo m
Einsatz (angetrieben/nicht anget rieben) der Reifen und von de r Aerodynami k ab. Der Stur-
zw inkel soll sich nur wenig über dem Einfederweg des Rades ä ndern und wenn, d an n soll
der negative Winkel beim Einfedern dem Betr ag nach größer werde n. Dadu rch wird aueh
eine Sturzänderung durch die Wankbewegung des Wagenkastcns, hervorgerufen durch
Fed erbewegung der Reifen, kompensiert. Bei breiten Reifen soll die Sturzänder ung ge rin-
H Fahrwerk
ger ausfallen als bei schmaleren. Ebenso soll die Änderung mit zunehmendem Leistungsge -
wicht (kW/kg) des Fahrze ugs abn ehmen.
Bei Kurvenfahrt ist das einfedernde Rad das stärker belastete kurvenäußere. da s somit
mehr Seitenkraft dur ch Schräglauf übert ragen kann. Ein negativer Sturz kompensiert die
Deformation der Reifenseitenwan d und vergleichmäßigt die Belastu ng der Reifenaufstand s-
fläche, wodurch mehr Seitenkraft aufgebaut werden kan n. Das ausfedernde Rad soll normal
zur Fahrbahn bleiben (Sturzwinkcl = 0°). Ein übermäßig großer Sturzw inkcl verschlechtert
die Situationjedoch, weil da nn die Reifen aufstandsfläche teilweise von der Fahrbahn abhebt
und d ie mögliche Seitenkraft durch Schräglauf nicht erreicht werd en kan n.
Beim Wanke n des Wagenkastcns soll der Sturz des einfedernden Rad s innerhalb der für
den gewählten Reifen zulässigen Grenzen bleiben bei weniger als 1° Änderung pro 1° Roll-
winkel des Wagens bzw. ca . 25 mm Radfederweg. Das dabei ausfedernde Rad soll sei nen
Sturz nicht ändern .
Für Radialreifen kann die Sturzänderu ng tendenziell kleiner sei n als für Diagonalreifen [H13].
Alle rdings wird in Konstruktio nslage bei Radi alreifen meh r (stat ischer) St urz e ingestellt.
Bei Fahrzeugen, die für hohe Qu erb eschl eunigu ng ausgelegt werden, soll die Sturzfinde-
ru ng beim Rollen des Wagenkaste ns innerhalb der zuläss igen Sturzwerte bleiben.
c
c
e
•
~30 0
•
~
D
c
,
•
~20 •
•
"
10
0,6 1,0
smr-zwrok ei -
------
änderung I ' ]
Bild H-32
Brauchb are Sturzände rung beim Federn.
Aufgetragen ist die Abweic hung vom eingestellten
Sturz winkel in Konsfruktic nslaqe. Der gezeigfe Ver-
lauf ist für vo roer- und Hinterräder brauc hbar. Beim
Einfedern vergrößert sich de r Sturz zur negativen
Seite hin, d. h . war er _3" beim Radhub 0 mm, so
wird er ca.
_ 4 ° beim Radhub 30 mm. Das auste-
cemce Rad ist beim Kurvenfahren das äußere. das
im (theoretischen) Idealfall d ie gleiche Neigung an-
nimmt wie das innere Rad - der Sturzwinkel darf
also gegen 0° gehen oder sogar positiv werden.
.,
~15
~
•
~10
~
•
5
J
e
•~... ......... . ...
"c
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c
,
•
a
St ur zwinkel-
änder ung 1° ]
Bild H·33
Akzeptable Sturzänderung beim Lenken
Durch den Sprezunqswmke t ändert SiCh beim Len-
ken zwangsläufig der Sturz. Näheres dazu siehe
Kapitel J Lenkung.
2 Begriff e und kinem atische Größen
H
Spurweite. Für die Fahr werkskonstruktion ist die Änderung der Spurweite über dem Rad-
hub inter es sant. Ä nde rt sich di e Spurweite beim Feder n, so bewegt s ich der Reifen quer
zu Fahrtrichtung und ruft so eine Seitenkraft über Schräglauf her vor. Das verschlechtert
den Geradeauslauf erhöht den Rollwiderstand und kann die Lenkung beei nflussen. Beim
ei nseit igen Einfedern bewirkt dies im Ext remfall eine Lenkwirkung dieses Rads. Die Spur-
weite bleibt also idealer weise beim Federn konsta nt.
~30
D
~20
~
•
~10
I
I
·4
-3
-2
2345
Spurweiten -
ände rung [ 0]
Bild H- 34
Akzeptab le Spurwei tenänderung eines Rads
beim Federn .
Vor allem be im stärker belasteten einfedernden
Rad soll die Änderung der Spurwe ite gering blei-
ben. Beim Ausledern ist die Situation etwas ent-
schärft, weil dieses Rad entlastet ist und wenige r
zur Seitenfüh rung beit rägt als das gegenüber lie-
gende Rad.
Rollz e nt r en. Die Lage der Rollzentren beide r Achsen in Konstruktionslage und beim
Federn ist mehrfach interessant, beeinflussen die Pole doch Sturz-, und Spurweitenände-
run gen sowie Radlast verlagerungen und damit da s Eigenlenkve rhalten eines Fahrzeugs.
Bei der Ausleg ung eines Fahrwerks wird zuerst das vordere Wankzentrum - diktiert von
der Spurweitcnänderung - festgelegt und dann das hintere.
Das Wankzen trum so ll beim gleichs eitigen Ein federn m it dem Schwerp unkt absin kcn.
Dadurch bleibt das Wankm oment hervorgeru fen dur ch die Trägheitskraft konstant und Auf-
st ützeffekte der Radlenker kl ein.
Bild H-35
Akzeptab le Änderung der
Rollzentrumshöhe beim gleich -
seitigen Federn.
Ver laut lür d ie Vorderac hse (f)
und die H interachse (r). Die Roll-
zentren w andern in de r Höhe
tendenziell mit dem Fahrzeug -
schwerpunk t m it.
10
20
••••Än derung e . Roll-
..
Z ~~;.u ~sh Öhe [ 9ti]
............. ~.... .
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§20
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_J .: >..~ 10
H Fahrwerk
Zur Erziel ung hoher Spurtreue (vor allem bei seitensteifen Reifen) sollen die Q uerp ole weil
weg von der Radebe ne und die Rollzentren nahe ode r auf der Fahrbahn liegen.
Tab. H -1 Typi sch e We rte für statische Ro llzen trumshöhen h RQ.
Fahrzeug
h RO.f [mm]
Pk w')
30 bis 100
60 bis 130
lndyCar2l
15
18
IMSA GTS2j
-2,5
12,5
Formel Ford 2) Sportprototyp
-26
15
26.6
40
Ind izes: f vorne, r h in ten; positive Werte über der Fahrbahn
1)[H16]. 2) [H29\
w ankachse. Die Wankachse soll bei Pkw nach hinten leichtansteigen. Dann können Antei le
der Aufba udämpfung zu r Dämpfung der Fah rzcuggicrbcwcg ung gen utzt werde n [H 16].
Allgemein soll sie bei Fahrzeugen mit Einzelradaufhängung vorne und hinten möglichst
parallel z ur Hauptträghcitsachsc in Längs richtung liegen mit dem Ziel gleiche Radlastände-
rungen an vorder- und Hintera chse zu erreichen (neutrales Fah rverha lten ) [H061.
Beim gleichseit igen Fede rn soll die Wankachse wie der Schwerp unkt absin ken. Rei ne
Hubbewegungen beeinflussen dann das Fahrverh alte n nicht und das Fahrzeug bleibt stab il.
Brems- und Anfah rnickau sgleich. Beim Brem sen ist an der Vorde rachse wichtig, d ass
das Fahrze ug nicht zu stark eintaucht. Es könnte schlim mste nfalls aufsetzen und instabil
werden . Außerde m ist der Nickwin kel aerody nam isch wichtig.
0
.~
"
•
•
0
.:.30 •
.:.30 •
•
•
Bild H-36
•
•
0
0
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A kzeptable r Verlauf für
,
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~20
w
~20 w
•
•
Brems - und An tatmucka us-
•
•
gleich.
lO
to
Mit steigender Bremsver-
zögerung wird die A chs last
0
0
v orne größer und de r Nic k-
20
36
42
"
ausg leich soll dem entgegen-
Anfahrnick -
lO l~
-lO p ausgleich ( '&] w irken und beim Einfedern
\ zunehmen. Beim Einsacken
-20:
-20:
durch die Antriebskrat t kann
•
•
der Anfahrn ickausgle ich klel-
•
,
-c
ner werden.
Nachlauf. Ein Nach lauf stabi lisiert das rollende Rad. Am k urve näußeren Reifen erze ugt ein
Nachlaufwi nkel neg ativen Stu rz , der das Seitenführu ngspotcnt ial vorteilhaft beein flusst.
Zusa mme n fassend f ührt Tabelle " -2 für ei nige Fahrzeuge di e Aus legu ngssc hwer pu nkte
an. Die Ziele sind au f Grund unterschiedlicher A nforderu ngen nicht bei allen Typen diesel-
ben . Bei der Konstruktion müssen Kompro misse eing egangen werden und wenn besti mmte,
wichtige Ziele verfolgt werde n, müssen zwangsweise ande re Kriterien vernac hlässigt bzw .
"geopfert" we rden . Be i Do ppelqu e rle nkera chse ist es beispielsweise nicht mögl ich das
Stu rzverh alten der Räde r beim Wanke n und bei m Federn gleichze itig zu opt imiere n. Schon
aus diesem Grund ist eine Analyse vor dem Entwurf wichtig, welche Kriterien für ein
bes timmtes Fah rzeug entsc heidend und welche unte rgeord net sind .
2 Begriffe und kinem atische Größen
H
E
.=. 30
10
o
-10
-20
0
L
~
-e
~
~
0
-
"
w
6
8I10
Nachl auf 'T [ 01
c!
~
o,
«
Bild H-37
Akzeptab le r Verla uf für Nact uautänc erunq.
Beim Ein/adern nimmt de r Sturzwin kel zu - am kurvenäuße-
ren Rad wird so be im Lenken ein größe rer negat iver Stu rzwirr -
kai erz eu gt.
Tab. H -2 Schwerp unkte de r Fah rwerksausleg ung einiger Fahrze uge, te ilweise nach [H23) und [H29).
Fahr zeug Kennzeichen
Maßna hmen
Pkw
Frontmotor,
Fronta ntrie b.
unte rschied liche
Zuladungen,
hohe r Schwer-
punkt
stabiles, untersteu-
emdes Fahrve rhalten,
hohe Traktion der
voro eracns e
g roße Seitenführu ngs-
kräfte an de r Hinter-
achse
sehr geringe Sturzänderungen des
e infedernden Rads b eim Wanken, hoher
Bremsnickausgleich
steife r Sta b ilisator an d er Vor derachse,
Massen auch hinten ano rdnen
hohe r Komfo rt
große Federwege, progressive Fe-
derraten. mo derate Dämpf ung, große
Fahrze ug-Trägheitsmomente um längs-
und ö uera cnse, gro ße Räder, gro ße
Nickausgleiche (um 30 %)
Vergr ößerung des neg ativen St urzes de s
e infede rnden Hin terrads beim Wa nken
geringe Sturzänderun g de r Vorder rä-
der be im Einlede rn (idea l: St urz _ 0°),
Vermeid ung pos itiver Sturzwinke l de r
Hinte rräder beim A usledern
g roße Que rbeschleuni-
gung (Kurvenfa hr t)
hohe B remsle istu ng
keine ae ro-
dynamischen
Abtrieb shilfen,
ge ringe Motorlei-
stung, schmale
a enen. Sperrdif-
ferenz ial verboten -'--_ '-'
-'- -
_
Formel
Ford
Durchdrehen des ku r-
veni nne ren Ant riebs -
rads vermeid en
große Auslede rwege hinten, geringe
Radlastverlagerung hinten, Verme idung
von negat ivem Stu rz des aus ledernden
Rads be im Rollen (ideal : Sturz _ 0")
leicht übe rste uerndes
Fahrverhalten , t rot zd em
stabi l
Ach slast hin ten höhe r, Wankachse
beweg t sich beim Federn paral lel auf
und ab
g eringer Beschle un igungsnickausgleich
H Fahrwerk
Fahrzeug Kennzeichen
Ziele
Maßnahmen
Ind y Gar
H ohe, relativ ko n - h oher aerodynam ischer steife A ufbaufedern, sta rk pro g res sive
s tante Geschwin- Abtrieb, d e sh a lb
Federraten, ger inge St urz ände ru ng
diqkeit (Oval k ur s), g erin ge dynamische
beim Ein/adern, g eringe Änderung de r
überhöhte
Bcoenaostanosänoe-
Spurweite, dynamische Ro llzent ren nahe
Kurven , nahezu
rungen; nahezu keine
der Fahrbahn
ebene Fahrbahn , N ickbeweg ung
s tarke M otoren
nahezu keine Roube -
steife Torsionsst abilisatoren
wegung
leic h tes Unte rste uern in stä rke re R adlastverlagerung an der
Kurven
Vo rderachse d urch höhere Bcllsteifiq keit
v orne
Formell
große Geschwin - hoher aerodynamischer stark pro gressive Fed erraten, z. B. durch
CanAm
d igke itsunter-
Abtrieb, deshalb
Dre ifede r-Aufh ängungen.
schiede. ebene
geringe dynamische
Fah rbahn mit
Bodenabstanosänce-
Hohenunter-
rungen
schieden
breite Reifen mit hohe Traktion an der
ger inge St urzänderungen beim Federn,
ge ringe r Sturz-
An tr iebsachse
sehr bre ite Reifen h inten
tore tanz. sta rke
keine Stu rzänderung an la nge Que r len ker vorne
Motoren
de r Vorde rachse
hohes B remsve rmögen
IM SA G TS starke Motoren,
hö her aerodynamischer steifere Federn bzw. stär kere Proqressi-
breite Reifen, kein Abtrieb an de r Hinte r-
vität an de r Hinterachse, damit der mit
Frontflügel, hohes ecöse . k e ine Nic kbe -
der Geschwindigke it zunehmende Ab -
Eigengewicht. rel. wegungen (konstanter trieb du rch d en H eck flügel kein Nicken
hoher Schwer-
Anstellw inkel He ck-
ve rurs acht. Be im Federn bewegt sich d ie
punkt
flü ge l)
Ro llachse w ie d ie Ha upnräobertsachse.
Re l. große Nic kau sgleich e (25-30%)
ho hes aesct ueunr-
höhere Achslast h inten , ka um Sturzen-
gungsvermögen
derung a n der Hinterachse be im Federn
ga rant iert h o h en Re ifenkraftsch l uss
Ausgleich der A chslast- hoher Abtr ieb an der H in t era c h se
vertaq erunq
Ballyefah r- unwegsame
große Bodenfrei heit
g roße Feder weqe . w irk sa m e Dämpfung
zeug ,
Fah rbahn ,
Ge lände -
unt erschied liche A uf rechterha lten ei nes g roße A us fede rweqe, profilie rte Re ifen
eins atz
Beschaffenheit
mög lichst großen K raft - m it rel. geringem Fülldr uck
des Unte rg run ds , sch l usses, besonde rs
g ro ße Honenun -
de r Antriebsräder
terecmeoe
stabiles Fluqve rhalten .
ausgeglichene Massenverte il un g in
rel. noner
Schwerp un kt
wenn das Fah rze ug in Längsrichtung
de r Luft ist
276 1
3 Teile de r Radauf hängung
3 Teile der Radaufhängung Parts of a susp ension
Wenn auch teilweise sehr unterschiedliche Anfo rderungen an Radaufh ängungen von Fahr-
zeugen gestellt werden, gewisse Bauelem ente las sen sieh bei allen Aus füh r ungen finden :
Achsen bzw. rada ufneh mende Elemente (Schwenklagcr, Achsschenkel, Achszapfen,
Radtr äger),
Verbindu ngsglieder (Lenker),
Gelenke,
Federn und Dämpfer,
Stabil isatoren .
Federn und Dämpfer sowie Stabilisatoren sind eigene Absch nitte gew idmet, ebenso den
entsprechende n Teilen von Doppelque rlenkerachsen, den bede utendsten Achsen für Renn-
fahrzeuge.
3.1 Radaufn ehm ende Elem ent e Wheel carrying elements
Je nachdem. ob das Rad angetr ieben ist oder nicht, wird das Rad über einen Radflansch mit
der Antriebswelle verbunden oder auf einem Achszapfen gelagert. In jedem Fall muss ein
Bauteil die stillstehende n Teile der Radlager aufnehmen und die Kräfte über Verbindungs-
gliede r z um Rahme n weiterleiten .
H
Bild H-38
Schwenklager (Radträger wheel
carrier) einer vorde ren radr üh ren-
den Federbeinachse .
An radführenden Federbeinach-
sen nimm t de r gaoträper das un-
tere Ende des Federbeins in einer
Klemmschel le auf und stellt über
das Führungsge lenk die Verbin-
dung zum Querlenker her. An der
Vorderachse dreht sich de r Radträ-
ger beim Lenken um das Führungs-
gelenk und den «erceseneeenuen
Aufnahmepunkt des Feeerbeins.
Deshalb wird er bei dieser Anwen-
d ung auch Schwenk lager genannt.
Das Schwen klager nimmt die Au -
ßenringe der Radlager auf und
enthält den Lenkhebel. mit dem die
Spurs tange verbunden wird. Außer-
dem stellt es zwei Augen für die Be-
festigung der Bremszange bereit.
HFahrwerk
Bild H-39
Achszapfen axle stub (vgl. B ild H-62).
Ein Achszapfen n immt d ie In na nring e der Rad lager auf.
Er ist n ur für nicht ang etrieb ene Ac hsen einsetzba r.
Diese Aus führung wird an den Lenker, z. S , einer Ver-
b unclenkerachsa. m it vie r Sch rauben angeschra ubt.
3.2 Verbindungsglieder Iinkage
Die radaufnehmenden Teile müsse n mit dem Rahmen beweglich verbunden werden. Diese
Aufgabe übernehm e n die Verbindu ngsglieder.
A-A
~
Bil d H·40 Dreieckslenker mit eingebau tem Führungsge lenk .
Werkstoff: Aluminium legierung GK AISi 7 Mg (Rm - 260 N/mm 2, Re - 220 N/mm2).
Der D reieckslen ker w ird im Kok illenguss gefertigt. Das Radge lenk ist in den Len ker i nt eg ri er t. Wagenseit ig
wi rd der Le nk er i n Gummüaqer a ufgenommen,
O A.A
»<
Lenker einer Hinterachse.
Der Lenker übe rträgt Zug- und Druckkräfte und wird daher als Pende l-
stütze konzipiert. Der G rundkörper des Len kers wird m itte ls mnnocn -
druckumfo rmung (IHU) aus StahlbleCh hergestellt. Die Aufnahme der
sneot coc ree am rech ten Ende w ir d angesch weißt. Er w ir d an beiden
Enden mit Süentbuchsen am Fahrscheme l bzw . Radt räger verschraubt.
2781
3 Teile de r Radauf hängung H
3.3 Gelenke Joints
Zwischen den star ren Lenkern, Radträgern und dem
Wagenkasten sind Gelenke erforderlich, da mit sich da s Rad
in de r gewü nschten Weise bewegen kann . Bei Serienfahr-
zeugen haben sich aus Komfort- und Fertigungsgründen
(Toleranzen!) elastische Lager durchgesetzt. Bei Rennfahr-
zeugen für befestigte Pisten, wo Lenkpräzision und exakte OO
@
Radführ ung im Vordergr und stehen ist das gertaue Gege n-
teil der Fall. Hier werden durchwegs nur spielfreie Gelenke
verbaut. Die einz ige nennenswerte Nachgiebigkeit zur Auf-
nahme von Störunge n durch die Fahrbahn und (unvermeid-
baren) Fahrwerks ungenau igkeiten stellen die Reifen sicher.
Elastische Lager elastic maunt , Elastische Lager werden an Straße nfahrze ugen aus Kom-
fortgründen und zu r gewollten Beeinflussung der Radstellung unter Krafteinwirkung (Ela -
stokinematik) verwendet. Außerdem ermöglichen sie Gelenke mit mehr als einem Freiheits-
grad da rzustellen, wie z. B. für Stabilisatorlagerungen. die gleichzeitig die Radlängskräft e
aufnehmen. Diese Lager können radial und axial Kräfte aufnehmen. Je nach Ausführung
sind steife oder weiche Lager sowie symmetrisches und asymmetrisches Elastizitätsverha l-
ten darstellbar. Im Grunde besteht der Aufba u aus zwei Metallteilen. meist Hülsen, die über
einen Elastomerte il verbunden sind.
Silentbloc . Ocr Silentbloe (Silcntbuchsc) ist seit Jahrze hnte n ei ne gä ngige Ausfü hru ng, Bild
11-42. Zulässige Drehwinkelßliegen im Bereich ± ljObis ±300. Karda nische Verdrehungen
K sind von etwa ± 1° bis ±6° möglich. Axiale Versc hiebungen werden bis ±3 mm erreicht.
Radial geben die Lager etwa bis ±O,5 mm nach. Die zulässige Flächenpressung ist vom Ver-
hältnis Länge zu Wandstärke des Gummis abhängig und nimmt mit ihm etwas zu. Für die
Lagerauslegung ka nn ma n von den statischen Kräften ausgehen. Bleibt die Flächenpressung
unter I bis 3 N/mm2, erträgt die Buchse auch durch Antreiben, Bremsen und Kurvenfahrt
hervorgerufene Belastungsspitzen [HOl ].
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1S"
I ~.-:..
Bild H· 4 2 Silentb uchse ode r Silentbloc.
Fax
A xialkraft
F rad
Radialkraft
5a , . 5rad Versch iebewege
Das Elastomerteil wird be i d ieser Bau art unter gro-
ßer Verfor m ung zw ischen die Mel allh ülsen einge -
presst. Das Lager ist deshalb relativ steif und die
Fed erken nlin ien für Versch ieb ung und Verd reh ung
ste il.
H Fahrwerk
....
..
..
...
M•
.... .. . .Ii,
..
..
•,
Bild H-4 3 Gurnmäaqer.
Bezeichnungen wie Bild H-42 . Das Bas torrerteä ist bei d ieser Ausfüh rung zwischen den Metallnutsen
einvulkanisiert. Durch d ie fehlende Vorspannu ng ist das Lager wesentlich elast ischer als jenes von Bild
H -42 und es werden gegenüber j en e m nu r k leinere Verfo rm ungen zugelassen.
Gum milager rubber mount. Gege nüber de r Silcntbuchsc wi rd de r Elastom eneil beim G um -
milagcr (U ltrabuchse) nicht unter g roßer Verformung einge fügt. sondern cinvu lkanisiert,
Bild H-43. Diese Bauart wirkt dad urch elastischer.
Elastische Lager können auch gez ielt asy mmet risch gestaltet werden und so beispielswei-
se unterschiedliche Lager reaktio nen beim Bre mse n oder A ntreiben hervorrufen wie es für
eine Längsfederung erfo rderlich wird, Bild " -44 . Die Längsfederung wird bei Serienfah r-
zeuge n eingesetzt um das du rch Stah lgürtelrei fen verursachte Dröhnen einzudä mmen.
A Fahrt.
U richtung
Bild H -44 Wirkung eines asymmetrischen Gummilagers (Elastokinematik).
Dargestellt ist ein lin kes. angetriebenes Vorderrad mit dem un teren Sichellenker. D ieser weist folgende
Lage rarten auf (Orautsct u): Ein Aadge lenk C. eine Suerucucnse D und ein asymmet risches Gummilager
E. Das Lager E stellt eine Längsfederung sicher, d ie bei Antriebs kräften Fw,x.a w eic h er reag iert als bei
Bremskräften Fw.x.c ' Der Len ker dr eht sich dabei um das Lager 0, das die Reifenseitenk raf t a ufnimmt und
in di ese r Rich tung steif se in muss. Une rwünschte Lenkbewegungen werden du rch eine entsprechende
An ordnung d er Spurstange ve rh indert.
280 I
3 Teile de r Radauf hängung
Spielfreie Ge lenke zero-clearance joint. Wo eine exak te Übertragung von Bewegungen
erforderlich ist, werden Gelenke eingesetzt, die auch unter Last kein Spiel zulassen. Im
Fahr werksbereich. wo sich durch überlagert e Beweg ungen räu m liche Bewegu ngen ergeben,
müssen dab ei Kugelgelen ke eingesetzt werden. Ein klassischer Einsat zort ist die Über t ra-
gung der Lenkbewegung zu den Rädern. An vielen Fahrze ugen finden sich Radgelenke für
diesen Einsatzz weck. Bild 11·45 und 11 -4 6. Radgelenke dienen auch als Trag- und Füh-
r ungsgclcnkc, ein Beispiel zeigt Bild H-63. An Renn fah rzeugen werden da rübe r hi naus
ger ne Gelenklager verbaut, Bild 11-4 7.
H
a
:W- i
/1
Is
",-
_ ..1
.
,
b
Bild H-45
Radgelenk zum Einpressen.
Anschl usskegel 1 : 10
(DIN 71831 ).
S max. Schwenkwinkel
Das Gehäuse, das d ie Gelenk-
kugel aufnimmt. w ird mit einer
B lechkappe verschlossen, Diese
B lechkappe w ird nach der Mon -
tage eingerol lt. Der eigentliche
Lagerbereich wird d urch einen
Elastomerba lg vor Schmutz und
Feuchtigkeit geschützt.
Die max Ausziehkraft des Kugel-
zapfens liegt bei 14 kN.
Bild H-46
Radgelenke.
Diese Gelenke arbeiten im Grun -
de wie jenes aus Bild H-45 nur
ihr Aufbau und d ie Befestigung
sind unterschied lich,
a Gelenk zum Einschrauben
b geteiltes Blechgehäuse m it
Flansch zum Anschrauben
HFahrwerk
Bild H-4 7 Stanqenköpte (rod end, Rose Joint).
Die Stangenköpfe weisen Gelen klager a uf und kö nnen über Innen- ode r Außengew inde m it Bauteilen
verb unden werden . Diese Gelenke übe rtragen sp ielfrei rad iale und axia le Kräf te. Je nach Größe und Aus -
führung betragen die z ulässigen Schwenkwinkel zwischen 6 und 15".
Gele nklager s ind a uch in eine r ver schraubba ren Aufna hme e rhältlich. Diese so ge nan nten
Stangenköpfe werde n an den Enden von Zug-, u nd Druckstreben sowie Spursta nge n und
Quer lenkerende n ei ngesetzt.
Gen aue res z u Gc1cnklagc rn finde t sich in Absc h nitt 7.1 Gelenk e bei Doppc1qucrlcnkc r-
achse n.
3.4 Radlager Wheel bearing
Funktion fun ction. Die Radlager stellen die drehbare Ver-
bind ung zwischen Radn ab e u nd Ra dträger (Achsschenkel ,
Schwenklager) sicher. Damit müssen sie auch sämtliche Kräf-
te, die vom Reifen in de n Rahmen eingeleitet werden, über-
tragen.
Bild H-48
Rad lagerung eines nichtange-
triebenen Vo rderrads
(teilwe ise aufgeschnitten).
1 Radt räger upright
2 zwei Einzellage r als Radla-
ge r two single bearings as
wheeJ bearing
3 Spannmutte r retalning nut
4 Radnabe (hoh l) hub (hoJiow)
5 Distanzbuchse spacer
6 Distanzring zum Feinein-
stellen des Laperabstands
adjusting shim
3 Teile der Radaufhängun g H
Anford e rungen requirements . Folge nde Anforde runge n werden i m Mot or sp o rtb e reic h m it
fallender Bedeutung an Radlager ges tel lt [H 10]:
geringes Gewicht: ge ringe ungefedert c Masse. geringes Masscnrräg hcitsmomc nr,
ho he Steifigkeit. kein Axialspiel. ..N ulls piel" a n der Bremse. ko n st an te Bremspedalstellung.
geri nges Re ib moment: geri nge Le ist ungsverlus te .
geri nger Bauraum. mehr Freira um für Bremse u nd vor allem deren Belüftung.
hohe Tragfähigkeit: Sicherheit gegen unka lkulicrb arc Bela stu ngen wie C urbs, Crushcs
usw. Auslegung auf Kurvenfahrt und Brcmsung,
höchste Zuve rlässigkeit: Dimcnsionicrung nicht nach Tragzahl.
angepasste Lebensdauer: Beispiel Formel 1 ca. 2000 km.
Eine hohe Steifigkeit im Radlagerbereich m acht einerseits de n Re ife nve rschl ei ß kalkulicrbar
u n d ve rh indert a nde re rse its Sp iel a n d e r Bremsscheibe. Letzteres fllhrt zu e ine m reproduzier-
baren Ansprechen der Brem se. was dem Fahrer seine Arbeit erleichtert. Die Auslegu ng der
Ra d lage rerfolgtaussc hließliehauf Kurvenfa hr t und Brcmsung. Bei Serie n fahrzcugcn spielt die
Bel ad u ng ei n e wese nt lic he Roll e. Bei Rennfahrzeugen ist zwa r ein ae rodynamischer Abtrieb
bei hohen Geschwindigkeiten vorha nden, die Belast ungen durch Querbeschleunigu ng und
Bremseng liegen jed och u m cin Vielfac hes höher. A ls Lebe nsdauerziel werde n etwa 2000 km
angest rebt. Man ka nn da run übrigens anschaulich den Belastungsunterschied zum Alttagsfahr-
zcug crkcnncn. Würde in eine m Mittelkla sse-Pkw ei ne Formel-l-Vorderradlageru ng ei ngesetzt
we rde n. so hielte diese rechnerisch an die 200000 km den Alltagsbelast unge n sta nd.
Lagerreib moment [N m ]
Re ib ungskoeffiz ient Lage r [ -]
resu ltie re nde Lagerbelastu ng [N] . F = ~F? + F},
Fr . Fa siehe Bild H-55
d L Bo h rungsdurchmesser des I n ne nr i ngs lml
Ein vergleichba res größeres Lage r weist al so ei n g rößeres Rei bmome nt a uf.
Reibung jriction. Die Reibung im Lage r entsteht durch den Roll widerstand zwischen Wälz-
körpe rn und Laufb ah nen. durch teilweises Gleiten der Wälzkörper auf den Laufbahnen,
durch Gleiten des Käfigs an de n Wälzkörpe rn. durch de n Widerstand des Schmiermittels
und durch das Schleifen der Dichtu ng bei abgedichtete n Lagern. Das Reibm oment hängt
von de r Lagerbelastung . vom Sch mierzustand sowie von der Drehzahl ab und kann über-
schlägig erfasst werden zu:
Mfr=f.1L·F·dI./2
_
0,0020
·
I
!
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I
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.~':~:~~" ';"" ';~" " ';"" '" ~ ~ ······1
l----- ----t-----t-----~1
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0,001 0
•0
~
•0
c
0,0005
,
~
~
•
•
0
5
10
50
125
Fahrgeschwi ndigkei t
185
[km/h)
350
Hy bridlager
Stah llager
Bild H-49
Verlauf de r Reibungswerte eine r
Fcrrnel-t -vorderradlaperunq.
HFahrwerk
Hybridlager weisen über dem ges amte n Geschwindigk eitsbereich ei ne niedrigere Reibung
als konve ntionelle Sta hllager auf. Bild H-49.
Ausfü hrunge n designs. Die Ta belle 11 -3 gibt einen Überblick über Einzellage r. die paa r-
weise als Radlager eingesetzt werde n können .
Zerlegbare Lager haben den Vorteil, dass Inncn- und Außen ring getrennt eingebaut wer-
den können und die Montage dadur ch erleichtert werden kann.
Tab. H -3 Lagerbauarten für Radlagerungen.
Bauart
Vorteile
Nachteile
""
I',
[10 -3)
Kegelrollenlager
+ zerlegbar
-
Reibung
4' 1,8...2,5
~
+ hohe Tragfähigkeit
-
Ax ialkräfte nur einseitig über-
--
axial und radial wege n
tragbar (paarweiser Einba u
'/
Linienb erührun g de r
erfo rde rlich)
Wälzk örper
-
Lagerspiel mu ss einges tellt
werde n
Spindellager
+ zer legba r
-
r elativ ger inge Trag fäh igkeit
10'
1,5
(Schu ll erkugellager) + hoh e Führungsgenau-
wege n einseitiger Schmiegung
~
igkeit
am Außen ring
~;- + Eignung für hoh e Dreh- - Axialkräfte nur einseitig übe r-
zah len
tragbar (paar weiser Einbau
erfo rder lich)
Sch rägk uge llager
+ nimmt Radialkräfte auf - Ax ialkräfte nur einseitig über-
10 ' 2...2.5
~
+ kann höhere Ax ial -
tragbar (paarweiser Einbau
-
.-
kräft e aufne hmen als
erfo rder lich)
Rillenk ugellager
-
empfindlich gegenüber Wellen-
+ Eignung für ho he D reh-
sctuetsteüunq
zah len
Rillenk uge llage r
+ kann relativ hoh e
-
können keine Wellenverlagerung 16' 1.5 . ..2
~
Radial- und Axialkräfte
ausgleiche n und verlangen
.,-1
-.
in c eoe Richt ungen
deshalb fluchtende Lagerstellen
aufn ehme n
'.'
"
Zy linde rro llen lage r + zer legba r
-
kann nu r Radialkraft aufnehme n T
1,1
~
+ geringe Reibung
-
emp f ind lich bei weuenscnretetet-
+ hohe Tragfähigkeit
lung
!lß ma x . Ein st ellwi nk el b ei WeIlensch iefsteilung, # L Reib ungskoeffizien t des L age rs H
Bet r ieb st empera t u ren operating temperat ures. Stah lkugel- und Kegelrollen lager können
bis etwa 120 "C (kurzfris tig bis 270 "C) Betri ebstemper atur eingesetzt werden, Zylinde r-
rollenlager bis etwa 150 "C (kurzfristig bis 300 "C). Bei höheren Temperaturen muss der
Lagerwerkstoff stabilisiert werde n, was mit einem Härteabfall und damit mit einer Lebens-
dauerreduktion verbunden ist, Tabelle 11-4.
2841
3 Teile de r Radauf hängung
Tab. H -4 Temp eraturfaktor fr• der die dyn amische Tragzahl C abminder t
H
Betri ebstemperatur Fe)
Faktor'. [ -]
< 150
200
0,73
250
0,42
300
0.22
Hybridlager hybrid bearing. In der Formel I werden so genannte Hybridlager (Bezeich-
nung wegen unterschiedlicher Werkstoffe) eingesetzt. Dabei sind diebeiden Ringe aus Stahl
und die Wälzkörpe r aus Keramik (Siliziumnitrid)gefertigt. Die Lager sind als Schrägkugel-
lager ausgeführt, die eine große Zahl relativ kleiner Kugeln aufweisen, Bild H-SO.
Neben den Hybridlagern wären auch reine Keramiklager verfügbar, bei denen auch die
Ringe aus Siliziumnitrid bestehen. Diese werden im Rennsport aber spärlich eingesetzt.
Der Grund liegt im Temperaturausdehnungskoeffizienten der Keramik, der weit unter dem
von Meta llen angesiedelt ist. Das Lager muss aber im Radträger aus Metall über einen wei-
ten Temperaturbereich sicher angekoppelt und vorgespannt bleiben. Dies kann nu r durch
aufwändige Versuche und entsprechend e Gestaltung aller bet eiligten Teile erreicht werde n.
Bild H-50
Dünn wandiges Sch räq kuqenaqer als Hybridlager.
Innen- und Au ßenring beste hen aus w ätataqerst aht
d ie Kug eln si nd a u s Siliziumnitrid. Das Lager w eist
keine Dichtung auf. Es muss im Aadt räger also eine
externe Dichtunq vo rgese hen werden. Der Druc k-
winkel bet rägt 45°.
Das Lager aus Bild H-50 wiegt als Hybridlager bei 45 mm Wellendu rchm esser ca. 160 g,
als Keramiklage r etwa 70 g. Ein Lagerpaar, wie es für die vollständige Lageru ng gebraucht
wird, wiegt demnach 320 bzw. 140 g. Zum Vergleich wiegen Vorderradlager von Serienwa-
gen etwa SOO bis 1100 g.
Einen Weg aus dem Komp romiss Steifigkeit und Reibung bietet die zukünftige Ent wick-
lung " intellige ntes" Lage r, Bild H-S1. Dab ei passt das Lage r seine Laufbahn schm iegun g
über eine Sensorschicht und ein Piezo- Element inn erhalb von Millisek und en an die aktu-
elle Lagerbelastung an. So stellt das Lager bei Ge radeausfahrt eine weite Schmiegung für
geringe Reibung ein. Bei Kurvenfahrt oder beim Bremsen versteift sich das Lager durch
Anlegen der Laufb ahn an die Wälzkugeln und erhöht so die Tragfähigkeit.
a
b
Bild H-51
. Intelliqentes" Aad lag er IH10J.
Es sind zwe i Ex trems teilungen de s Piezo elem ents
da rge stellt:
a wei te Scnrnfeq unq für minimale Reibu ng
b enge Schmieg ung für ma ximale Steif igkeit u nd
ma xima le Tragfäh igkeit
H Fahrwerk
\
Bild H- 52 Zw eireihiges Schräg kugellager two -row an gular ball bear ing .
Wälzkörper, Innen- und Außenring bestehe n aus wärz taqerstabt Das Lager we ist eine Lebensdauerfett-
füllung und eine interne Drehtunq auf, Der Druckwinkel beträgt 35°.
Eine A lternat ive zu zwei Lagern stel len Ko mpaktlager (compacl bearing) dar wie sie a uch
bei Se rie nfa h rzeugen z u find en sind. Bild " - 52 zeigt z. B. e in zweireihiges Schrägkugcl la-
ger . Bei 45 mrn In nend urch messer wiegt solch ein Lager ca . 830 g.
Im Pkw-Bau setzt sich eine integrierte Lagereinheit durc h. Dabei wird de r Innenring mit
de r Nabe zu einer Funk tio nsein heit zusa m mengefasst ( Radl age r dritter Ge ner atio n , Bild
"-5 3 ). Diese Einheit wird d irek t m it de m Radträger oder dem Schwe n k lager versc hra ubt.
Diese Integralbauweise wird bei Ser ienfahrzeugen we-ge n folge nder Vorte ile eingesetzt.
1
------ ~
Bild H·53 Radlager der dritten Generation wh eel bear ing 3rd g eneration.
Diese La ger einheit wird für eine angetriebe ne Ac hse ve rwendet. Der Innenr ing weist dafür zusätz lich eine
Steckve rzahn ung a uf.
1 Radflansch
2 A ufnahme f ür Schwenk lager
Die höhere Ste ifigke it bei gleichem Baurau m fü hr t zu einer Steigeru ng der Lebe nsdau e r
und die seh r kleine Spieltoleranz, die praktisch unabhängig von der Montage ist, weil das
Spiel vo n de r angelieferte n Lagereinheit vo rgegebe n ist , vereinfac ht den Mo nta geproz es s.
La geranordnung bearing arrangement. Ein ige gr undsä tzliche Überlegu ngen folgen
aus d en Anforderu nge n, ßild H -54 . Je näher die Lager bei der Reife nm ittenebene stehe n
(Abstand a), desto günst iger ist deren Belast ung, weil Zusatzmomente durch den Absta nd
der Radkräfte z ur Lage rung klein bleib e n. Größere Lagerd urch messer 0d und weitere
Abstände I zw ischen zwe i Lagern e rhöhe n d ie Tragfähigkeit un d Stei fig keit d er Lage r u ng.
Allerdings neh me n Reibu ng u nd Masse der Lager ung zu.
3 Teile de r Radauf hängung
'a
-+± 1
I
H
Fw,v
Bild H-54
Anordn un g der Raolaqer.
a
Abstand Mitte Lagerung zu Reifenmitte
I
Lagerabstand
ea Durc hmesser d es Lage rs (Sitz a uf Nabe)
Fw,x,Y,Z Kräfte von der Fahrbahn, die auf den Reifen wirken
Zwei Einzellage r kö nne n grundsätzlich als St ütz lage r oder als Fest-Los -Lager-Ko mbin atio n
ve rb a ut werden. Bei d er Stürzlageru ng wird nur die Variante mit axial spiel frei angestellte r
Lageru ng verwe ndet. Durch die Vorspa nnung wird die Lagerung steifer.
Anges tellte L agerun g udjusted bearing arrangement . Werden zwe i Schräg kugcl- oder
Kcgcl rollcnlagc r spiegelbildlich angeordnet, lässt s ich das Lagerspiel d urc h Versch ie-
ben ei nes Lagerri ngs einst el len. Solche Lager werde n vo rte ilhaft in steife r O-A nordnung
(O-arrangemenl) verbaut, Bild " -55 . Die weiteren Möglichkeiten , X- und Tande m-A nord-
nu ng, b rauc he n hier nicht betra chtet werden. Das Lagerspiel ka nn über eine einstellbare
Spannschraube bzw. - muttcr (z. B. Kronenmuter mit Splint)justiert werden . Bei Rennfahr-
zeugen wird die Einstel lung mittels eine r Distan zbuchse , die au f d as erfo rde rliche Maß
gesc hliffen wird , bevorzugt. Diese Buchse w ird längselastisch gesta ltet und die Lager ung
hat kein Spiel, son dern ei ne Vorspannu ng p relood (angestellte Lagerung). Die fede rnd e
Buchse hält die Vorspannung auch bei großen Temperaturdifferenzen aufrecht.
Der wirksa me Lage rabs tand L .... ist du rch de n Druckwinkel a wesentlich g rößer als der
bauliche Abst an dl de r- b eid en Lager. Dad urch wird d ie Momentenabstütz ung m it steige nde m
Druckwi nkel größer, d ie Lagerung steifer und die Führung des Rads verbessert. Als grobe
Richtlinie für de n Entw urfkann gelte n:
L.... == 0 ,2 · Reife nrad ius [HOl].
Der Abstand der Lage r soll allerdings nicht zu groß gewählt werden, weil temperat urbe-
dingte Längenänderungen der Nabe dan n stärker ausfallen.
Auch die Axia lsteifigkeit der Lager wird durch eine n gro ßen Druckwinkel verbesse rt.
Dad urch wird der Lagerverband unempfindlicher gege n Fehler in der a xialen Vorsp an-
H Fahrwerk
nung. wie sie durch Montagefehler oder unvorhcrschbarcn thermischen Ausdehnungen der
Umbauteile entstehen können. Letzteres ist oft die Folge einer Pace-Cer-Phase, wenn die
Kühlung der Bremse wegen geringer Fahrgeschwindigkeit reduziert wird.
Enthalten die Lager selbst eine Abdichtung. so kann die externe Dichtung (2) entfal-
len und die erforderliche Gesamtlänge Lg" , der Lagerung wird bei gleichem wirksamen
Abstand Lwkürzer und somit leichter. Eine integrierte Dichtung erlaubt auch das Lager mit
einer reibungsminimierenden Min irnalfct tung auszustatte n.
Im Bild sind die beid en Lagerstellen mit A und B bezeic hnet. Für nachstehende Tabelle
H-5 ist jenes Lager, das die äußere Axialkraft Ka aufnimmt, Lager A.
Die Aufteilung der äußeren Radialk raft Kr ergibt sich aus den Gleichgewichtsbedin-
gungen zu:
In
FrA =Kr-- und
Lw
Wegen der geneigten Laufbahnen bei Kegelrollen - und Schrägkugellagern entstehen durch
äußere Radialkräfte axiale Reaktionskräfte FaA und Faß in den Lagern. die für die äquiva-
lente Legerbelas tung berücksichtigt werde n müssen, siehe Ta belle 11 -5 .
L aes
1
Kr
VI Aj Ij//// Bc~
V2
\-ii
/3
.\,
4
.
I\.
-
/
~\
K.
!F~
F"
.-
-_ ._
.
._-_.
/
,
F"
1A
1B F"
Lw
Bi ld H- 55 Angestellte Lagerun g. allgemein.
Die günstige Wirkung eines großen Druck winkels
auf den Lagerverband in O-A nordnung wir d offen -
sichtlich.
1 Radträger
2 (externe) Dichtung
3 Element zum Einstellen des Spiels ode r Vor-
spannen der Lager (Schraube, Mutte r)
4 Radnabe
u
Druck winkel Fl
Lw
w ir ksamer Lagerabstand
J
Lagerabstand
Ka
äußere Ax ialkraft (nimmt nur Lager A auf )
Kr
äußere Radialkrafl (nehmen beide Lage r
auf)
FrA' Fra Radialkraft im Lager A bzw . B
FaA • FaB A xialkraft im Lager A bzw. B
2881
3 Teile der Radaufhängun g H
I Wird rech nerisc h nicht berucksic htiqt.
e
Kräfteverhältnisse
AxialkraftF•• die bei der dynamisch
äquivalenten Belastung einzusetzen ist
lagerA
lagerB
FrA Frll
FrB
Fall = 011
-
-s-
-
FaA=«,+0.5'-
YA YB
YB
FrA Frll
«, >0.5 .(FrA _ FrB) F'A
F'B
-->-- ulld
= K +05,-
Faß = 011
YA YB
YA YB
a
•
Y
B
FrA Frll
«. ::;:0.5 '(FrA _ Frll)
F'A
und
FaA
= Oll
FB=05'-
-
K
-->--
a
•
Y
A
11
YA YB
YA YB
,
Ta b H - 5 Resultierend e A xialkraft F bei ange stellter Lagerung (siehe auch Bild H -55) [H19]
Die dynamisch äquivalente Belastu ng P eines Lagers folgt daraus zu:
P=X ·Fr+Y·Fa
Die Faktoren X und Y hängen von der Lagerbauart und dem Belastu ngsverhältn is (Fa/Fr)
ab. Sie können eine m Lagerkatalog entnommen werden. Tabelle H-6 bringt eine knappe
Auswah l.
Tab. H · 6 Faktoren X und Y für einige Lagerarten
l agerbauart
Dru ck-
e
Betastungsvem ältnis
winkel
H
Fe,F.5e
Fe'F,>e
rJ
X
y
X
Y
Schräg kuq eneqer o-Aoc.
40
1.14
0.55 0.57 0.93
Spindellager
25
0 ,68
0
0,41 0,87
Keg elr oll enlag er Q -Ano.
10-30
0,4
1,66 0,67 2,49
Die Lebensdauer ei nes Lagers errechne t sich aus der äqui valenten Lagerbelastung P allge-
mein zu:
Lw Leben sdauer in Millione n Umd rehungen
C dynamische Tragzahl [kbl]. abhängig von Lagerbauart und -größe;
kann einem Lagerkatalog entno mmen werden
P dynamisch äquivalente Lagerbelastung [kN]
p Lebensd auerexponent l-I . für Kugellager: 3; für Rollenlager: 10/3.
Mit ei ner mittl eren Lagerdrehzahl folgt daraus die Lebensd auer in Stunde n:
L
h
= OL,,
' 'l!.- '-'',,
1I,-
6 Lh Lebensd auer [hj
nm.60
nm mitt lere Lage rd rehza hl [min -Ij
HFahrwerk
Bild 11·56 zeigt Kegelrolle nlage r (Iap e r rolier hearing) in O -An o rd nun g . Weil d iese Lager -
baua rt keine Dichtun g a ufweist , muss ei ne sep arate Dicht ung (2, 7) vorgesehen werde n.
So können z . B . ax ial fe dernde Edelstahlscheibe n (z. B . Nilosri ngc ) eingesetzt werden. Für
Fettsch mieru ng reicht dies vollkommen aus. Die Lage r werden ohnedies nur mäßig mit Fett
gesc h mie rt
Ein Distanzring (4) stellt sicher, dass der Lagerin nenring des äußere n Lagers nicht auf
die A usrundu ng d er Ra d nabe (3) gedrückt wird.
"-I-
2
3
I
--/---
•
i
t---
\
- ~---
\
-,-
5
Bild H·S6
Vorges pann te Radla ger:
Kegelrollenlage r in Q- Anordnung ,
1 Radträger
2, 7 Dic htscheibe (z. B . Nilos-Aing)
3 Radnabe
4 Distanzring
5 Mil nehm erzapl en für Rad
6, 8 äu ßeres/innere s Radl ager
9 Distanzbuchse
10 Spannschraube
11 Spannscheibe
Eine Lösu ng wie sie unter anderem in der Formel I eingesetzt wird [H IOJ ist auf Bild H-57
zu sehen. Ein Pa ar d ünnwandiger Schrägk ugellager angu lar ball bearing (4 ) wird üb er e ine
Welle nm utter (5) vorgespannt. Die Einstellung der ax iale n Lager vorspann ung wird durch
Abschleifen des Einstellrings (6) vorgenommen. Weil die Lage r selbst eine Dichtung ent-
halten, wird keine externe Dichtung be nötigt und die Lagerung ka nn entsprechend kü r-
ze r gestaltet werden. Ein großer D ruckwinkel so rgt für einen großen w irksa me n Lagerab-
stand.
Fest-Las- Lageru ng locat ing/non-lo cating arrang ement. D ie se Art entspricht der "k las-
sischen" stat isch besti m mten Lage rung mit zwei Stützstelle n. Ein Lager übe rn immt neb en
der Radia lkraft auc h die Axialkräfte (Festlager). Die zweite Lagerstelle ka nn nur Radi al-
kräfte aufnehmen (Loslager) und ermög licht so eine Ausdehnung in axialer Richtung, wie
sie z . B . durch Wärmedeh nun g oder Fertigungstole ranzen entsteht. A ls Fes tlage r kommen
Bild H-57
Vorgespannte Radlager:
Sc hrägk ugellager in O-Anordnung.
1 Radträger
2 Distanzr ing
3 Radna be
4 Sch rägkugellager, abgedich tet
5 weuenmutter
6 Eins tellring
7 Dist anzb uchse
290 I
3 Teile de r Radauf hängung
Bild H-58
Radlager in Fest-Los-Laqera nord-
nung ,
1 Radträger
2 Wellendichtring
3 Distan zrinq
4 Radnabe
5 Zylinderrollenlager als Los lager
6 Sicherungsr ing für Lager
7 Kuge llager als Festlager
8 Spannsch raube
9 Distanzb uchse
nur solche Bauarten in Frage, die in Achs- und Querrichtu ng Kräfte aufneh men können,
w ie et wa Rillenk ugellager. In Bild H-58 ist ein Beispiel z u se hen. Das Zylinderr ollenlager
cy iindr ical roller hearing (5) übern immt nur Radia lkräfte . Das Kugellager hall hea ring (7)
arbeitet als Festlager und überni m mt so auch sämtl iche Ax ialkräfte. Eine Spannschraube
(8) sorgt dafü r, dass der Verband de r In nenrin ge spielfrei anliegt. Das Kugellager ist selbst
ged ichte t, daher ist keine externe Dicht ung wie beim Zylinderro llen lager er forderlich .
-
..
H
Bild H-59
Komp ak tlager auf geteilter Nabe fü r nich t ange-
triebe nes Vorderrad (Formel Renault 2000).
1 Hallering für Kompa ktlager
2 Radträger
3 Kompaktlager
4 Verschraubung der Nabe
5 Zentralsch raube für Radversch raubung
6 innerer Nabenteil
7 äußerer Nabentell mit Radflansch
HFahrwerk
Weit e r e Beisp iele. Kompak tlage r könne n be i geteilte n Naben leicht ausgeta uscht werde n.
Bild " -59 zeigt ei n Beispiel für ein nicht angetriebenes Rad. Die beide n Nabenhälften (6
und 7) werden mit sechs Schraube n (4) verspannt und halten so den Innenring des Lagers
(keine Doppclpassu ng, d. h. die beide n Nabenteile be rühren ei na nder nicht). Das Lager wird
über den Haltering (I) im Radträger (2) axial gehalte n.
Dieses Konze pt ka nn auch f ür eine ange triebe ne Achse eingese tz t werde n, Bild H-60.
2
1
~3
~--
..
~4
: _\\~.'.
8
_
~
_
9
--
Bild H-60
Komp aktlager auf geteilter Nabe für angetrie-
benes Hinterrad (Formel Renault 2000).
1 Ha lteri ng fü r Kompaktlage r
2 Radt räger
3 Kompaktlager
4 Verschraubung der Nabe
5 Zentrals chraube für Radve rschraub ung
6 innerer Nabente il
7 äuße rer Nabe nte il m it Radf lansch
8 Verschra ub ung m it Gleich la ufge lenk
9 A nt riebswelle
Gestaltung von Ra dtagerungen. An den Innenringe n liegt Punktlast (point load ) vor, des-
halb kann der Lagersitz auf de r Nabe lose sein (Toleranzlage etwa k6 bis m6). Die Auße n-
ringe erfahren eine Umfangslast (circumf erentiut load vund müssen daher fest im Radträger
sitzen , dam it sie nicht wan dern (Toleranz N7 bis P7). Ist der Radträge r aus Leichtme ta ll,
so ist wegen dessen größerer Wärmeausde hnung die Toleranz zu wähle n, die eine enge re
Passung ergibt. Das Lager ist dann zwar nur mit Tempe ratu rdiffe renz (um 125 "C) fügbar,
es wande rt aber eben bei Erwär mung durch die Bremsan lage auch nicht.
3 Teile de r Radauf hängung
Für und Wider der gr undlege nden Lagerungs möglichkeiten sind in Tabelle H~7 zu sam -
mengefasst.
Tab H-7 Vergleich von Lagerungsvarianten nach [Hlll
I
Paar von Einzell agem
Kompaktlager
Lager 3. Generation I
Variant e
ctffi öJ ~
Vort eile
+ billig
+ pr eiswert
+ beste Spielto leranz
+ leicht
+ leich t
+ beste Lebensdauer
+ einzeln ta usc hbar
+ ge ringe Sp ielto leran z
+ e infac he Mo ntage
+ einste llba r
+ La ge reinh eit tauschba r
Nachte ile - große Sp ielto leranz
-
Streuung der Lebens-
-
Meh rkoste n
deueru
-
Meh rgewicht
-
An p assungs konst r ukt ion
des Rad t rägers
I ) Beim Einpressen in den Radträger sind die Radialkräfte nicht gleichmäßig verteilt. Diese Ungleich mä-
ßigkeit kann die Lebensdauer reduzieren.
Bild H- 61 zeigt d ie Lage rung eines nicht a ngetriebe nen Ra ds mi t zwei getrenn ten Lagern.
Für die Au ße nringe sind zwei getrennte Passungen m it Festsi tz erfo rde rlich (Um fangslast ).
Bei den Inne nringen reicht ein loser Sitz (Punktlast). Am äußeren Lager ist das auch erfor-
derlich, weil mit diesem über die Ax ialkra ft der Kronen mutter die Vorspannung bzw, das
La ge rs piel j ust iert w ird. Der wirksa me Lagerabsta nd beträgt e twa 20 % des Reife nradius.
Dichtun g s e aling. Die Dichtu ngen erfü llen bei Lage r unge n zwei Aufgaben:
Austritt von Schmiermittel verhi nde rn,
•
Schutz vor Verunreinigu ng von auße n.
Die Ano rd n ung de r Dicht unge n kann im Lager selbst oder au ße rhalb d ieses erfolgen. Die
Dichtungen können berührend oder berü hrungslos gestaltet werden. Schleifende Dich-
t u ng e n haben eine größere Dichtwirk ung . erze uge n j ed och Re ibu ng. Bei berührungslosen
Dichtu nge n wie de ru m ka nn Schmierstoff aust reten.
Dichtunge n, die im Lage r integ riert sind , helfen nicht nur die Baulänge der Lagerung
zu reduziere n sonde rn auch den Schrnicrfcttbcdarfirn Lage r klein zu halten, wa s die Reib-
ve rlus te m inde rt . Für ei n typisches Formc1-1-Vorderradlager ge nügen 0,8 g Fell über die
gesa mte Lebe nsdauer [H lü].
Bei Pkw we rde n, falls sep arate Dicht unge n geb raucht werde n, Dicht ringe (sh aft seal)
ve rb a ut, d ie neb en d er eige ntl ichen Dichtlippe inne n noch z usätzlich außen eine Sta ub-
schutzlippe a ufweisen, Bi ld H~61.
Eine einfache Art de r Lagerung mit ei ne m Kompaktlager zeigt Bild H ~64 .
H
H Fahrwerk
Bild H- 61 Lagerung eines nicht anget riebenen Rads.
1 Splint
5 Radflansch
2 Kronenmutter
6 Achszapfen
3 Scheibe mit Innenlasc he
7 Kegelrollenlager
4 Kegelrollenlager
8 Wellendichtring mit Staubsc butznooe außen
Das L au f sp iel zweie r Kege l rollen lage r (3, 7) in Q·Anordnung w ird durch d ie K ronenm utter (2) eingestellt
Die Mutter selbst wird du rch einen Splint (1)gesichert. Zusätzlich we ist die Sche ibe (3) eine Lasche auf, die
in eine ins Gew inde gefräste Nut gre ift. Ein Wellendicht ring (8) dichtet die Lagerung nac h außen ab. Eine
z us ätzliche Staubsch utz lippe b iete t Schutz gegen Schmu tze int ritt vo n außen .
1_
-------
2
3
4
Bild H-62
Lagerung eines nicht anget riebene n Rades einer
Pkw -H interachse (vgl. Bild H - 39).
1 Radflansch
2 Radlager
3 Achszap fen
4 Mutte r
5 Trägerplatte
6 Lanp stenksr
Der Radf lansch (1) bildet die A ußen-lauffläche der
Radlager ung. Die Innenri nge der Lager ung wer -
den über d ie M utter {4) gegen eine Schu lter des
Achszapfens {3) verspannt. Der Zapfen selbst wird
an der Trägerplatt e (5). die an den Längslenker (6)
angeschweißt ist. angeschra ubt. Eine in den Rad-
flansch eingep resste Kappe d ichtet die L ageru ng
n ach außen ab.
3 Teile de r Radaufhängung H
1
G3
4
5
l-
I
I
o--i --
Bild H - 63 Lagerung eines angetr iebenen
Rades einer vorderen ractcnrenoen Feeerbein-
ecree .
1 Radlräger (Schwen klager)
2 Radlager
3 Radflanseh
4 Wel lenzapfen mit Aulnahmetopf des Festge-
lenks der Gelen kwelle
5 Mutter
6 Führungsge lenk
Der Innanring des Radlagers wird mit der Mutter (5) zw ischen Radflanseh (3) und Wellenzap fen (4)
vo rgespannt. Den A ußenr ing nimmt das SChwenk lager (1) auf. Der Radantrieb erfo lgt über die Gelenk-
wel le. deren abgebildeter Zapfen (4) ei ne Steckverzahnunq aufweist. mit der er d ie Verbindung zum
neoneoecn (3) herstellt.
5
"
!
4
I
3
Bi ld H -6 4 Lagerung eines angetriebenen Rades mit einem Kompaktlager.
1 Radf lansch
2 Schraube
3 Schrägkugellager. zweire ihig
4 Passst ift
5 Flansch für Gleichlaufgelenk
Das Anlriebsmomenl wird über sechs Passstifte (4) auf den Radflansch (1) übe r tragen. Der Innenr ing des
Radlagers w ird zw ischen den Flanschen (1} und (5) du rch die Schraube (2) vo rgespannt.
HFahrwerk
3.5 Berechnung Calc ulation
Lastannahmen für die Berechnung von Fah rwerksteilen basiere n auf Telemetrie-Daten.
Dieselben Lasten werde n natürlich zur A uslegu ng der Räder und Reifen hera nge zogen. Lie-
gen keine rlei Lastkollekt ive (s. A nha ng) oder Daten vergleichba rer Fah rzeuge vor, kann
man grob VOll folgenden Lastfa llen ausgehen, wenn die aerodynamischen Abtriebskräfte
unberücksichtigt bleiben, nach [HOl]:
a) m aximaler vertikaler Stoß (Schlag loch):
F w.z
= 3Fw.z
.
o
F w.z
.
o statische Rad last des vollb etankten Fahrzeugs mit
Fahrer [N ]
Wl
b) extre me Kurvenfahrt . kurvenäußeres Rad:
Fw.z ~ 2 Fw.z
.
o
FW.Y :0 2~w.Y•FW.Z.O
~w.y Reibkoeffizient in Querrichtung I- I
c) extre me Kurvenfahrt . kurveninneres Rad:
FW.Z :0 FW.Z .O
FW.Y :0 - ~w.Y •Fw.z.o
F.Il,v
Fw,z
d) extre me Bremsu ng:
vorn e: Fw.Z,f :O 2 FW.Z.f.O; FW.X .b,F :O 1,5 ~w,x • FW.Z,F.O
hinten: FW.Z .r :OFW.Z. r.O; FW.X.b .r :O0,8 ~w.x • FW.Z.r.O
~w.x Reibkoeffizie nt in Längs richtung [- ]
c) extre me Anfa hrt :
Frontant rieb (nur Vorderräder):
Fw.z.r = 1,5 Fw.z,C.o; FW•X•a = Pw.x · Fw.z.r.o
Hint er mdant rieb (nur Hint erräder):
F W.Z,r = 1,8 Fwz.r.o : FW,X.a :0 1,5J1W.X . F W•Z•r•O
Fw, z
.1
.e<V
I
",-
'.
"
.
~-
." ,,)1,,< ,<,
W
Fll,x,a
Fll,z
4 Federung
Für ein Formel-I -Rad sind typische Lastfalle und Werte zur Auslegu ng der Räder [H22]:
a) Sch lagloch: Vertikale Last F w,z vo n 16,3 kN mit einer Z usatzk raft von 68 kN durc h die
Vorspannu ng de r Zentral mu tter.
b) Kurvenfahrt . Seitenkraft F w.y von 15 kN und Vertikalkraft von 10.1 kN . Biegemo me nt
Mw,x von 4,53 Nm. Zusatzkraft von 74 kN durch die Vorspan nung der Zen tralmutter.
Mcsszcllcn , die in Rad mitte angebracht wer den, weisen für Formel- I -A nwend unge n folgende
Spez ifikatio nen a uf:
Tab. H -8 Wertebereich von Rad la stmessze l len für For me l-1 -Anwendung [H331.
Achse :
vorn e
hinten
Sta tisch
Rad last
Fw.Z.sl al
1,5
2,2
kN
Maxim alwerte Längskratt
Fw.x.ma~
6
8
kN
Seiten kraft
Fw.y
.ma :<
7,5
10
kN
Vertikalkra tt
Fw.z.ma:<
8
10
kN
Biegemoment
M w,x.ma
.
3
4
kNm
Ant riebs -/
M a.ma:< /
1,5
2,2
kNm
Bremsmoment M b, ma:<
Lenkmoment
M w,z.ma:<
3
4
kNm
H
4 Federung Springs
W ic bei allen a nderen Fahrwerkskompo ne nten best eht die Haup ta u fga be d e r Federu ng darin,
den größtmöglichen Kontakt der Reifen mit der Fahrbah n bei allen Betr iebsbedingungen
und Fahrb ahnzustanden au fr echtz uerhalten. Dazu ist ein elastisches Glied z wische n den
Reifen und de m starren Wagcn kasten (Chassis. Rahmen) erforderlich, da s Stöße und Über-
lasten kurzfristig aufni mmt ohne diese direkt an den Rahmen weiterzu leiten und umgekehrt
auch imstande ist, den Reifen auf die Fahrbahn zu drücken, wenn dieser einer Senke folgen
soll. Die Stoßenergie. die das elastische Glied aufnimmt , muss allerdings in irgendeiner
Form wiede r kontrolliert abgegeben werden, sonst würde das Fahrzeug im Extremfall zu
Spr ingen beginnen. Diese Aufgab e übernehmen Schwiugu ngsd ämpfcr, Absc hnitt 5.2 . Bei
Serienfuhrze uge n ist zusätzlich neben de r Fahrsicherheit der Komfo rt erk lärtes Auslegu ngs-
ziel fiir die Federung. Eine weitere Aufgabe, die der Aufbaufederung zumindest teilweise
zufällt, ist dem Wanken des Aufbaus einen Widersta nd entgege nz usetzen. Die Aus legung
erfolgt jedoch zunächst nur au f die Vertikalbewegungen (Heben/Senken und Nicken) des
Fah rzeugs. Für die Wankstabi lisie r ung we rde n Torsionsstabilisato ren eing esetzt.
Als Wirkstoffe für solch ein elastisches Glied kom men unter anderem in Frage: Gase,
Elastomere , Öle, Meta lle und Kunststoffe. Diese Komponenten können unter ande rem Blatt-
H Fahrwerk
fed er n, Torsio nsstä be. Gum miblöcke. Luftbälg e ode r Schra ube nfede rn sei n. Im Rennsport
haben sich Metallfedern. d ie kein e radfüh renden Funktionen haben . durchgesetzt.
Brauchba re elastische Rück stellk räfte lassen sich durch sä mtliche Bea nspruchungsa rten
darstellen . also ZugIDruck, Schub, Bieg ung und Torsio n.
Für die Entscheidu ng, mit welcher Federart die Aufgabe am gewichtsgünstigsten gelöst
werden kann. wird folgende Betrachtu ng des Arbeitsaufnahmevermögens von Federn hilf-
reich sein.
Das A rbeitsaufnahmevermögen A eines elast ische n Werk stoffs kann bei Zug-, Druck-
oder Biegebeanspruchung durch die Gleichung ausgedrückt werde n [HOl]:
0-2
A Arbcitsaufnahmcvcrrnägcn [Nmm] oder [J . IO -Jj
A=K.V .E
K Kon stante
a Spannung [N/mm2]
V Volume n [rnrn']
E E-Modul [N/mm2]
Bild " - 6 5 stellt den A rbeitsbereich einiger Werkstoffe zum Vergleich dar.
Betrachtet man insbesondere Fede rn. die gebogen ode r tordiert werden. so erhält man:
Biegefed er
2
I (fzul
Ab= -
·--Vb
r,
6E
a Lul z ulässige Biegesp annung [Nzrnrn-]
E Elastizitätsmodul [N/mm2]
+0...
i l.L
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2346102040100 400103
104
E-Modul [N/mm
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2.103
•
10'
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10
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C
6
4
0
3
"
2
N
1
1
Bild H- 65 Vergleich versch iedener Fecerwe rkstotte, nach [HOl].
Die Darstellung erfolgt im doppeltlogarithm ischen Maßstab. dad urch stellen sich Linien mit konstantem
Arbe itsaufnahmevermögen als Gerade d ar. Die Geraden verhalten sich wie Al :A 2: A3 - 1 :4: 16 z. B . in
J . Au s dies em progressiv ansteigenden Verhältn is w ird sowoh l deutlich. we lche großen Au sw irk ung en
bereits klein erscheinen de Differenzen besitzen. a ls euch der große Einfluss der zulässigen Spannungen .
Anme rkung: ve rn. Polycreihane e vernetzte Polyuret hane.
296 1
Torsionsfed e r
bei Sta hlfedern
folgt :
Ar
.1S = 2,6 bis 2,S
Ar •b
4 Federung
a lul zulässige Schubbea nspruchung [N/mm2]
G Schubmodul [N/mm2]
V an der A rbeitsaufnahme beteiligtes Volu-
men [mm']
d. h. aus Stahl sind Torsionsfede rn im Sinne
eines Leichtbaus günstiger; Drehstab und
Sch ra ube nfede r sind a lso gege nüber Blaufedern
zu bevorzugen.
H
Für eine grobe Abschätz ung des erforde rlichen Baum ums einer Schra ubenfede r kann Bild
H-66 herangezogen werden. Das benötigte Volumen VSp der Feder ergibt sich aus der Kraft
F. die sie beim Fede rhub '\'s p aufnehme n soll und ihrem Werkstoff. Wählt man nun den
Außendurchmesser Do oder die Bauhöhe 'sp. so kann das jeweils andere Maß aus dem
Volumen ermittelt werden.
___
··+·····_·····~ l
0 +----
.
__ - -1----0 ~
CU .----,..l
rJJ
~_ F--ep ~
y---- ----
"
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(7\
~
~~
cT\
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h--
-'i
1 .,'1-
D,
Bild H-66
Abschät zu ng d es ertorcerucnen Bauraums einer
Schraubenfeder, nacf [H25].
F Federkraft [N)
$sp Fed erhub un t er der Kralt F [mm)
'sP länge der Feder bei der Krall F [mm)
Do Außendurchmesser [mm]
Vsp Ba uvo lumen der Feder [mm 3)
Einige Wert e für d en Fede rkennwe rt ksp [Nimm:?]:
Federstahl
ksp- 0,4
AISi1 Mg
ksp - 0,04
Stahl S235JRG1 ksp - 0.D1
Die Wahl der Fede ra rt wird beeinflusst von folgenden Größen:
zu lässige Schwankungen der Bodenfreiheit während der Fahrt,
zu lässiger bz w. vom Regle me nt geforderte r Radhub beim Ein- und Ausfede rn.
gew ün schte Radeigen frequen z.
Allgemein wird der Federweg so aufgeteilt, dass ausgehend von der Konst ruktionslage ei n
Drittel ausgefedert (bis zum Zuga nsehl ag) und zw ei Drittel eingefedert (bis zum Drucken -
schlag) werde n ka nn also etwa im Verhältnis 35/65 % (Bild H-67).
Tab, H -9 Werts tür Radhubwege s.
Fahrzeu g
vorne $11$2[mm)
hinten $1/$2 [mm)
Pkw
120/80
130/90
lndyearl)
38/0
63 ,5/25,5
lM SA GTS1)
63,5/25,5
76138
Formel F ord 1)
51/25,5
70125,5
Indizes: 1 eintedem . 2 ausfedern
li [H29)
HFahrwerk
Druckansch la
..'
KonstrUktionsla e
_ it Fahre r :1===;;;;1C~--''''''''!!!L''''lli''
wagen l eer
35
.'1
.'
.
o
o
VO. Zug anschl ag au f_Toi2i-=--+--l-----------~-tl~
lunehmende Kraft
Zu anschla
Fede rweg
Bil d H- 6 7 Federkennl inie für eine Fahrzeuqtedercnq.
Ausgehend von de r Konstruktionslage kann das Rad etwa 1/3 bis zum Zuganschlag austecem und 213
b is zum Druc kansch lag einfedern.
Als Faustregel gilt bei Pkw, dass die Feder beim 2,5 -fachcn der statischen Radlast noch nicht
auf Anschlag gehen soll. Ein progressiver Anstieg der Feder rate vermeidet ein abruptes
Durchschlagen, was bei Kurvenfahrt zu r Überlastung des Reifens mit ebe nso plötzlich em
Seitenkraftverlust führen kan n, und nimmt auch die mit der Geschwindigk eit zunehmenden
aerodynamischen Abtriebsk räfte au f. Die Abtriebskr äfte stellen ohnedies ein Problem für
sich dar. Das Fahrzeugniveau soll möglichst konstant bleiben, damit es z. B. beim Bremsen
nicht zum Durchschlagen kommt, weil der Federweg dur ch die Luftkräfte aufgebraucht
worden ist, u nd da mit die Abtriebskräfte für den Fahrer berechenbar bleiben. Eine Ände-
rung im Fahrze ugniveau um nur 3 mm füh rte bei einem Formel-I -Fahrzeug von 1987 zu
einer Änderung im Abtrieb von 450 N [H07]. Abgesehen davon führt eine Variation des
Fahrzeugniveaus zwangsläufig z u einer Bewegung der Radaufh ängun g und damit zu einer
Änderung der Stellung des Reifens zur Fahrbahn. Den Druckanschlag (hump stop) bildet
meist eine Zusatzfeder. die die Einfederbegrenzung beinh altet und den Restfederweg in
Einfcdc ru ngsrichtung bestimmt. Der Zuga nschlag (rebound stop) ist eine elastische Aus fc-
dcrbcg rcnzu ng, die im Stoßdämpfer enthalten sein kann und de n Restfederw eg in Ausfcdc -
rungsrichtung bestimmt. Sie muss so dimensioniert sein, dass auch die dynamisch auftre-
tenden negativen Federkräfte (Fsp < 0) aufgenommen werden können.
Progresstee Feder ra te prog ressive spring rate. Für das Fahrverhalten ist ja genau genom-
men nicht die Aufbaufeder sondern deren Ausw irkung auf das Rad entscheidend. Dabei
soll die radbezogene Federrate (s. Anhang) über den Radhub konstant bleiben bzw. beim
Einfedern leicht ansteigen. Ist die Fede rrate nicht konstant, so ndern nimmt sie bei Belastu ng
der Feder z u, s pricht man von einer prog ressiven Federrate. Dieses Verhalten verhinder t ein
Durchschlagen der Feder bei großer Belastu ng und lässt Schwingungen rascher abklingen.
So kommt also der Realisierung einer Übersetzung zwischen Radhub und Federhub eine
große Bedeutung zu. Bild H·6H zeigt den Unterschied der grundsätzlichen Größen. Die
Wegübersetzung zwischen Rad- u nd Federhub ergibt sich daraus zu :
3001
iSp
sI. sSp.1
Übersetzung Rad zu Feder[-]
Wege [m]. nach Bild H-6R
4 Federung
H
Übliche Werte für i s p liege n zw ischen 1.25 bis 1,7. Je größer d ie Übe rsetz un ~.gewä hlt wird .
desto steifer müsse n Fede r n/Dämpfe ru nd Torsio nssta bilisat oren sein . G roße Ube rsetz ungen
bedeuten auch relativ kleine Dämpfer wege. Das erschwert die Abstimm ung von üblichen
Dämpfern. die ja ihre Kraft über die Kolbengeschwindigkeit aufbauen und reibungsbedingt
e ine ge wisse Losbrcchkraft haben.
Diese Wegübersetzu ng wirkt nat ürlich a uch als Kraftübersetzu ng (d. h . Fede rkr aft = Rad-
aufstandskraft . i sp)' daher geht sie quadratisch in die Beziehung der Federraten ein:
radbezogene Fede rr ate [N/m]
eigent liche Federrate der Aufba ufeder [N/rn]
Die Hubwege von Rad und Feder twh eel travet und sp ring tra vets kön nen aus eine r Zeic h-
nung oder einem CAD-Modell ermittelt werden. Bei einem bereits vorhandenen Fahrze ug
könne n die Strec ken direkt ge messe n werden.
Will man prog ressives Verhalten des Rads beim Einfede rn e rreic hen. bie ten s ich gr und-
sätzlich ve rschiedene Möglichkeiten an . Zum einen ka nn die Feder selbst progressiv sein.
zum anderen kann die Betätigung der Feder durch die Radaufhäng ung eine veränderliche
Wcgübersetzung her vorr ufen und so das gewünschte ve rhalten auch bei einer linearen
Feder hervorru fen.
Eine progre ssive Ken nung de r Feder an sich kann auf verschiedene Arten hervorgerufen
werden. Am einfac hsten durch Serienschaltung zwe ier linearer Federn. was eigentlich nur
zu einem Kniek in zwei linearen Kennlinie n führt. Aufwä ndiger aber auch wirkungsvoller
sind Fede rn mit veränd erli cher Steig ung und/ode r ve rä nderlichem Drahtquers c hnit t. Bei
Belastung gehen die enger aneinander liegenden Windungen auf Block und die wirksame
(verbleibe nde) Federlänge wird kont inuierlich k ürzer. d ie Feder also steifer. Du rch Verän-
deru ng des Wickeldurchmessers (z. 8. Kcgclfcdcr) ergibt sich ebe nfalls eine progressive
///
Bild H-68
Unterschied zwischen Radh ub
und Federhub bei Einzelradauf-
hängung .
Federt das Rad um den Weg SI
ein, so ver kü rzt sich d ie Feder
von ihr er ursp rüngl ichen Länge
' SP.o auf die Länge ' SP.1' Die Fe-
der wird also nur um den Betrag
SSp,l .. Jsp,o - l$p, l zusammenge-
d rückt. Es existiert demnac h eine
Wegüberset zung zwisc hen Rad-
und Federhub.
H Fahrwerk
Kenn linie. Bild 11·69 zeigt zwei Möglichkeiten für progressive Federn . Die Zus atzfede r
(H-69b) ist z ur Hauptfeder paralle l geschaltet und wirkt crsl ab einem gewissen Weg der
Haupt feder. Die Feder besteht aus zelligem Polyurcthan- Elastomcr (Handcls na mc: Ccllasto)
und ist so gest altet , dass sie bei m ersten Aufsetzen weich ei nsetzt und z unehmend verhärtet
( H-69c). Solche Zusatz feder n kön nen voll z usam mengedrückt gro ße Kräf te aufne hmen .
Durch Kombination einer linearen Sta hlfeder und eine r solchen Zus atzfede r lassen sich
da raus res ultierende Fede rkennlin ien beina he belieb ig gest alten . Zusatzfede rn können
innerhalb einer Schra ubenfeder sitzen. in einem Dämpfe r als Zug- ode r Druckanschlag wi r-
ken ode r allein am Rahmen als Druckanschlag für ein Fah rwerksteil a ngebracht sei n.
Bei einer geschickten A nordnung der Feder und ihrer Betätig ungs hebel kann auch eine
lineare Fede r ei ne progr essive radbezogene Rate zeigen, Bild 11· 70. Allerdi ngs ist ebenso
durch unbedachtes Ano rd nen der Fede r ei n uner wü nschtes degressives Verhalten möglich.
Mit außenliegenden Federn lassen sich etwa 10- 15% Zunahme der Federrate erreichen.
Stärke re Zunahme n erzielt man m it Betät igung der Federn über Hebel.
Die ideale Prog rcssivit ät beider Achsen wird durch d ie untersc hiedlichen Achslaste n und
erzielba ren Beschleu nig ungswerte nicht gleich sein. Für eine Grundaus legung wird für die
Vorderachse ein Anstieg de r Federrare um höchstens 20 % und für die Hinterachse ein
flacherer Anstieg um etwa 5 % em pfohlen [H23]. Bei ext rem welligen Ren nst recken brauc ht
der Wagen vor allem entsprechenden Radhub und deshalb wird man auch nicht die Fcdcrra-
tcn erhöhen, sondern zunächst die Druckanschläge kräftiger wählen und den Bodenabstand
vergrö ßern.
lJet ät ig u ng der Fed er spring actvatton. Durc h den Radhub muss s ich ein definierte r
Federhub ergeben . Die Feder könnte also direkt das Rad abst ützen wie es bei einer Vorder-
radgabel eines Motorrads der Fall ist. Die Feder kann auch an einem Querlenkerarm ange-
lenkt sein (z. B . Bild H-70). Dadurch entsteht allerdings in dem Lenker ein Biegemoment
sow ie bei schräg angelenkter Feder ei ne Längskr aft und dieser muss entsp rechend gestalte t
werden und wird dad urch schwere r. Je näher der A nlenkpu nkt beim Radträger sitzt, desto
kleiner ist die Biegebeanspruchu ng des Q uerlenkers. Federn können auch über Hebel d irekt
oder ind irekt betätigt werden , Bild " -71. Die Hebel-Versionen biete n sch ier zahllose Mög-
lichkeiten eine zuneh mende Federkennlinie zu realisiere n und gleichzeit ig das Federbein an
einem günstigen O rt im Wageninneren unterzubringen. Außerde m macht das Federbein in
diesem Fall auch Platz f ür die vorbeist römende Luft zwisc he n Rad und Wagenkaste n. was
der Aerodynami k zu Gute kommt. Die Reaktionskräfte am anderen Ende der Feder müssen
an ei nem geeignete n Ort in den Rah men eingeleitet werden . Geeignete O rte s ind solche, die
Kräfte möglichst direkt weiterleite n kön nen: Knote npun kte ei nes Git terro hrahmens. Befes-
tigu ngspunkte der Feder der anderen Wagenseite. Anlenkpunkte von Querlenkern usw, Der
Bodenabstand des Fahrzeugs lässt sich bei dieser Betätigungsa rt leicht durch Längenände-
r ung des Betät ig ungs stabs ei nstellen. Wird der obere Q uer1c nker als Kipphebel ausge bildet
(c), kan n die Fede r ebenfalls im Wageninneren untergebracht werden . Der prinzipiell höher
belastete untere Querlenker ist dan n zwar biegemomentenfrei. der obere Querlenker muss
jedoc h als Bieget räger ausgefü hrt werden. Das ist im Sinne des Leichtbaus ungü nst ig und
macht ih n schwer. Auch die Hebellager ung muss kr äftig ges taltet werden.
4 Federung H
.'
~.
•
.;'1
•
Bild H· 69
Prog ress ive Federn.
a variable Fede rste igung
b Zus atzfeder pa rallel geschal-
tet
c Kennlinie einer Zusatzfe-
der mit den Abmessungen
a-115mm,0d-70mm
[H16]
Die gesamte Federrate CSp ,t bei
Parallelschaltung folgt aus den
Einzelraten zu:
CSp,t - cSp1 + CSp2'
/
/v
,
60
80
ss, [mm]
20
o
o
z
;;:'60 0 0
~
':;;4000
"~
"
~ 2000 t=E=~~~~~~~cl~t=L~
/.......... . .
Bil d H-70
Prog ress ive Fede rancrd nu nq .
Die Feder hat eine konstante
Steif ig keit cSP - 30 NImm. D urch
d ie gezeig te Anordnung w ird der
Hub sse de r Feder be i gle ichen
Hubabschnitten s des Rads im-
mer größer und d am it steig t die
ra dbezogene Federrate c beim
Einfedern:
•
Bewegung
Radhub s [mm]
Federh ub ss e [mm)
iSp[-I
c [Nimm)
/
Obis 1
30
17.7
1.69
10.5
/
1bis2
2bis3 3bis4
30
30
30
18 .3
18,9
19.7
1.64
1.58
1.52
11,2
12.0
13,0
1303
HFahrwerk
r-- ~
'~. r-,=~I -
I:
Ci: II =~~
,,~
J
L..
__
///
/
/
/
a
b
J L..
_
_
/i:IP""'~====d,
C:
,,"
I
c
/
/
Bild H-71 Mögl ichkeiten der Federbetätigung .
a Dru ckstab m it Umlenkhebe l
push rod wirh rocker
b Zugslab mit Zwischenhebel
pull rod with bell crank
c Que rlenker als Kipphebe l
wishbone as rocket
d Kni eheb elan ordn ung
knee lever
Bei Formel-I -Fahrzeugen mit extremer Ausnutzu ng von Abtriebskräften durch Abdicht ung
der Wagenunterseite durch sog. Schürze n lagen die Federraten zwischen 350 und 600 NI
mm, was von der Mehrheit der Fahrer kritisiert wurde, weil das Verhalten schon an ein
ungcfcdc rtcs Fah rzeug erinnerte [H13). Tatsächlich sollte sich die Bodenfreiheit der Wagen
kaum ände rn, damit die Abdichtfunktion der Schürzen aufrecht blieb. Ocr Federdurohmes-
scr betrug innen ca. 57 mm [H13].
Drehstabfed ern (torsion- bar sp ring) kön nen elega nt Platz sparend unte rgebracht und
über Hebel betät igt werden. Die Dämpfer sind so von unerwü nschten (aber durch toleranz-
bedingte Schiefst ellung der Schra uben feder möglichen) Kräften befreit und werden vom
sclbc n Hebel beaufschlagt, Bild H-72 .
Weitere Möglichkeiten ergeben sich durch die Anordnung der Feder. Zum Einen bietet
sich die Möglichkeit an einer Achse nur eine Feder anz ubringen (Monofeder) . Diese wird
von beiden Rädern über einen gemeinsamen Hebel beaufschlagt. Das Wankmoment muss
in dem Fall gänz lich über einen (besonderen) Stabilisator aufgenom men werden, siehe Bild
H-102.
3041
4 Federung H
a
L?
b
Bild H· 72 Bet ätigu ng von Torsionstedern .
a Der Torsionss tab ist in Fahrtr icht ung (Pfeil) angebrac ht und stellt gleichzeit ig d ie Hebe lachse dar.
Der Dämpfer lieg t ebe nfalls ho rizo ntal, quer z ur Fahrt ric t1tung.
b Der Drehstab steht que r zur Fahrtr icht ung .
Zum Anderen können die unterschiedlichen Funkt ionen von versch iedenen Federn wahr-
genommen werden. Bei einem Drei-Feder-System übern ehmen zwei Federn in herkömm -
licher Art die Federung je eines Rads und zusätzlich wird über eine gemeinsame Koppel
beim g leichse itigen Federn eine d ritte Feder ins Spiel gebracht, siehe Bild H- I03. Solche
Systeme bieten sich für Fahrze uge mit hohem Aerodynamikanteil an, die zusätzlich noch
einen großen Ocschwindigkcitsumfang abdecken. Der Bodenabstand soll bei diesen idea-
lerweise über der Fahrgeschwindigkeit konstant bleiben. obwohl bei zunehmendem Tempo
der Abtrieb überproport ional z unimmt. Würde man z ur Lösung dieses Problems etwa ein-
fach nur steifere Federn vorsehen, hätte man bei geringen Geschwindigkeiten eine unnötig
hart e Federu ng, die Traktionsprobleme mit sich bringt und den Fahrer sowie Bauteile stär-
ker belastet.
Fede r a usleg ung spring dimensinning. Die Ermittlung der erforde rlichen Fede rrate ist in
Abschnitt 5.1 dargelegt. Zur Vorauslegung der Federabmessungen bei bekannter Federrate
können folgende Beziehungen herangezogen werden:
Schra ubenfede r coil spring :
C·dS
4
.
p
CSp Fede rrate [NImm]
Dm m ittlerer Wind ungsdurchmesser [mm]
dsp Drahtdu rchmesser [mm]
)sp Anzahlder federnden Windungenl-],)sp==)1- 1,5
)1 Gesamtanzahlder Windungen l-]
1305
H Fahrwerk
Drehstabfeder
torsinn bar spring:
T=cu 'a
,-
iL
d,/d ;:: 1 ,3
O,5d, e I,< 1,5d,
1.=0,5(d,'d)V4r/(d,·d ·1)
T
-
L
L
_"_
_
a
Co
e
d
lsp
r
Drehfede rrate [NmmJO]
Schubmodul [N/mm2]
Stabdurch messer [mm]
fed ernde Länge [mm]
Torsionsmoment [Nm m]
Vcrdrch wi nkcl [0]
Hohlkehlen radiu s [m m]
d r Fußkreisdurchme sser de s Kopfprofils [mm]
Die Längen folgen aus:
'sp=1-2(l1l- !c)
I freie Schaftlänge [mm]
' h Hohlkehlenlänge [mm]
Je Ersatzlänge [rnm],Je= l! - ' h' V nach Tabelle H-IO.
lk Kopflänge [mm]
L Gesamtlänge des Drehstabs [mm]
Tab . H -10 Verhältn is lJ(Ersal zläng e zu Hohlkehlenlänge ), nach [H 24].
d ,Jd
1,3
1,5
1,7
1,9
2
0.731
0.638 0 .58 1 0 .534 0,522
2 0.728 0.632 0.568 0 .534 0 ,502
50 0.725 0.625 0.555 0.5
0,481
Das Moment Twird über Kerbverzahnung, Vierkant. Seehskant, Exzenterende o. ä . in die
Drehstabfedern eingeleitet.
Drehfedern können elega nt in Reihe geschaltet we rde n. indem ein Drehstab ein ode r meh-
rere Drehrohre betät igt. Bild " ·74. Die Betätigungshebel können so auch nebeneinander
angeordnet werden , wodu rch die Lagerkräfte an einem Ort konzentriert bleiben.
Die genaue Auslegung von Federn nimmt im Allgemeinen der Federhersteller vor. Er
benötigt dazu Angaben wie in Bild " -75 angeführt.
Gängige Federdurchmesser liegen bei47 und bei57 mm.
.
:.
-
.~~
~~-Q
_
~
_
_
.
00( ....
:1_~,i:~~ ' ,,\~
-
~..
.,
4 Federung
Bild H-73
Federbein mit verä nderl icher
Federrate (Form el Kön ig).
Der untere Fed ert eller nimmt d ie Fe-
der in einer schrau benf örm igen N ut
a uf. Du rch Schrauben dieses TeI-
ler s kann die Anzahl der federnden
Windungen und damit die Feder rate
verändert werden. Nimmt die Anzahl
der akt iven Windungen ab . w ird die
Feder steifer, vgl. a uch Gleichu ng zur
Vora uslegung oben .
H
//
Bild H-74
Reihenschaltung von D rehtedem .
Ein Drehstab ist so in einem Drehroh r gelagert.
dass die Reakt ionskräfte des Betät igungsh ebe ls
ebe nfalls in die Rohrlagerung einge leitet we rde n.
Die gesamte Baulänge dieser An ordn ung ist kurz .
Die gesamte Federrate C n,l folgt be i Reihenschal -
tung aus den Aaten de r Emzettedem:
1
11
-
=-+ -
c a.!
Cal Ca2
o•
j
I
F"
F
,
,
,
I
1\.1
,
:.J
r:
,
-.
F
('
:.J
,
r:
.J
~
~
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s"
:.J
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"
r:
•
,
~
(
•
,
,
,
o
Bil d H -75 Beste llangaben fü r Sch ra uben federn basis pa rameters of cot springs.
10 ungespannte Länge tree length [mm]
Dj Innendurchmesser inside diame ter [mm]
Ip 1 Einbau länge in Konstruktions lage sp ring length a t desig n position [mm]
Fpl Federkraft bei Länge 1p1 spring toe äarlength 1p1 [N)
le i Blocklänge (Fed e rläng e bei a nliegenden Windungen) coi l bo und length [mm]
cSp Feeerrate spring rate [Nimm]
HFahrwerk
Bei Schraube nfede rn für den Rennsport wird die Federrate vom Hersteller meist au f der
Feder angegeben. Und zwa r in der anglikanischen Einheit pound-force per inch [I Ibs/in =
0,175Nimm],d.h. eine Feder mitz. B.dem Kcnnwcrl 80 weist eine Federrate von 14 Nimm
auf.
Die erforde rlichen Längen müssen mit der Radaufhängung und dem Dämpferbein abge-
stimmt sein, Bild 11-76. Ocr maximale Fede rhub sSp.t ergibt sich aus dem gewünschten
maximalen Radhub und der Wegübersetzung Rad/Feder i sp'
Der gesamte Federhub SSp.1 wird etwa so aufgeteilt, dass das Rad ausgehend von der
Konstruktionslage 113 ausfedern und 2/3 ein fede rn kan n (vgl. Bild H-( 7). Ocr untere (ver-
stellbare) Federteller wird dab ei zur Ermittlung der erforderlichen Federlängen in seiner
Mittelstellung betrachtet. Federt das Rad voll aus, begrenzt der Zuganschlag die weitere
Beweg ung und die Feder er reicht ihre minimale ungcspanntc Länge IO,mi"" Wäre die unge-
spannte Länge kürzer als IO.min' wäre die Feder in dieser Stellung lose und könnte keine
Stützkraft mehr für das Rad bereitstellen. Soll die Feder in dieser Stellung schon eine Vor-
spannung aufweisen, ka nn die ungcsparmtc Länge bis IO.maxgewählt werden. Dann kann die
Feder bei ihrer Montage noch ohne Vorrichtung d urch den unteren Fede rtelle r vorgespannt
we rde n.
Wird das Federbein zusa m me nged rückt, ko m mt der Dr uckan schlag ins Spiel. Er selbst
ist ja eine Zusatzfeder und verlängert den möglichen Federweg um Izus~.tl-. Die Sch raubcnfc-
der dar fmit der Länge I1ihre Blocklänge Im noch nicht erreicht haben . Die Blocklänge da rf
also den Weg der Zusatzfeder nicht einschränken und muss kleine r als Im.max sein.
Werkstoffe: Federsta hl (Tabelle H-II), Tita n, zel liges Polyu rcthan-Elastomcr.
ausfedern 1/3
einfe dern 2/3
Zugan.
Bchlag
"
"•
.
,
N
~
-;
•
•
•
Druckan'
Bchlag
·
•
•
•
•
~
0,25-0 ,75
"
"
o
<
•
•
•
•
•
o
~
Begi nn
zuga nsc hlag
Konst ruktionsl age
Begin n
Druckans chla g
Bil d H- 76 Bestimm ung de r erforde r lichen l äng en von Schra ubenfedern .
Der untere Fed erteuer befindet sich bei diese r Unte rs uchu ng in seiner Mitte lsteIlung. Zusätzlich ist der
empfoh lene Spielbereich zw ische n Fed er und Federte ller eingetrage n.
30s1
5 Däm pfer
Tab . H-11a Warmgewalzte Stähle für vergütbare Federn (nach DIN 17221 , 17224).
Tab . H-11b Stähle für kaltgeformte Federn (nach DIN 17223).
Stah l
Sorte
Zugfest igkeit
E,Gl)
Rm [N/mm2]
[N/mm2]
C
1370-1670
E _ 2.06.105
Federstahldraht
G -81500
D
1370-1670
54SiCr6
FDSiCr
G - 79500
11E E-Modul; G Schubmodul
H
5 Dämpfer Damp er
5.1 Schwingung en Oscillations
Ergentreq uenzen, Fed erau slegung natura l frequency. spring caiculat ion , Die Schwin-
gungen interessieren im Fahrzeugbau allgemei n aus folgenden Gründe n:
Einfluss auf di e Radlastschwan ku ngen und damit auf den Fahrbahnkontakt und die Fahr-
sicherh eit,
Schwingu ngsbclast ung der Insassen und/oder des Ladeg utes.
Fahrze ug- und Fuh rbahnbea nspruchung.
Gerä us chb elast ung der Insas sen u nd der Umwelt.
Vom Fahrwerk sind die Reifenfede ru ng und Dämpfung und die mit dem Rad verbundene
Masse ents ch eide nd für die Radla sts chwankungen.
Für Rennfahrzeuge sind nur Radlastschwankungen und da mit der Kontakt Reifen-Fahr-
bahn von Interesse. Bei Straßenfahrze uge n steht der Komfort im Vordergrund.
1309
3456810
20 30 40 5060 60100
Fr equenz [Hz]
H Fahrwerk
0 ,81
2
6
7
200 300 500
Bild H -77 Lage der Eigenfreq uenzen im logarithmischen M aßstab. nach [H Ol ].
1) Sehr nie drig abgestimmtes System Sitz- Mensch . Diese nied rige Abstimmung ist nu r in Sonderfallen
zu empfeh len. Sie erfo rdert ein Sitz fede rsystem. bei dem das Niveau eins tellbar i st. da sons t die Un -
tersch iede in der statischen Einfederung bei verschieden sch weren Perso nen zu groß werden .
2) System Fahrze uga ufbau- Aufba ufederu ng be i der Federung m it Niveaurege lung. Theoretisch wären
dies e Eigenf requenzen auch be i Fahrzeugen mit sehr geringer zuläss iger Zu lad u ng bereits ohn e Ni -
veaurege lung mög lich.
3) System Fahrzeug auf bau-Aufbau federung ohne Niveaurege lung . Im vol lbeladenen Zustand liege n die
Fah rzeu g e a lle nä her an der un teren Grenze. Bei den größe ren Pkw und bei Fahrzeugen mit progres -
s iver Feder kenn linie wird im Al lgeme inen immer eine Eigenfrequenz unte r 1,4 Hz erreic ht.
4) Für das System Sitz- Mensch vorgeschlagener Freque nzbere ich ,
5) Vo n den anderen Systemen z u verme idende Eigenfrequenz des Menschen (vert ikal).
6 ) Eigenf requenz de r Achsmasse bzw . der mit dem Rad verbundenen Masse . Für die meisten Pk w lieg t
sie in der Nähe von 10Hz.
7} Hörbare Freq uenzen , Sie li egen im Bereich von 16 ots 20000 Hz (Feld wurde b ei 500 Hz abgebro -
chen ).
Eigenfrequen z der ungcdämpften ha rmonische n Schwing ung:
lt;
J,=--
(H' J
2rr 111
Beispiel : Radh ubschwing ung bei Einzelradauf hängung [HOl]
1JC'f +C
er
Reifenfed e rrate [N/m]
In = 2rr -;;;;-
C
Aufb aufederrate [N/m]
11/w
mit dem Rad verbunde ne Masse [kg]
Werte für c-: 120 000 bis 200 000 N/m
Die allgemeine Lage der Eigcnfrcquenzen der wese ntlichen Massea nhäufungen ist so z u
wählen. dass sie nicht mit den körpcreigcnen Eigenfrequenzen des Menschen überein stim -
men. da mit der Fahrze uginsa sse nicht zum Schwing ungstilger wird ode r etwa s drastischer
a usgedrück t. damit sie nicht mit de r ••Kotz frequc nz" z usamme nfa llt,
Zahle nwert e von Eigenfrequcnzcn (Aufb auschwingzahlen) [H07]:
Straßenfahrzeu g (komfortabel) 60- 80 rnin- ' (I- lA Hz); Straßenfah rzcug (sportlich) SObis
100min-I
, Re nnfahrzeug (ohne Flügel ode r Bodcncffekt] 100- 125 min- I
, Ren nfah rzeug
(mit Bodcncffckt) bis 500 min- I; Rennfah rzeug (im Mittel) 200- 350 min - I mit Radeigen-
frcquenzen 200-300 min - I
,
Als Startwert für die Auslegung eines Rundstrcck cnfahrze ugs wird 130 ± 15 min- I emp-
fohlen [HO?].
310 I
5 Dämpfer
H
Bild H-78
Schwingzah len von P kw. nach
[H03 ].
Die Schwingzahlen de r Hinterach-
se liegen tendenz iell ü b e r jene r
der Vorderachse. J e höher de r
Kernto rt ist. desto n ied riger lieg en
die Schwing zahlen . Umg ekehr t
ste igen die We rte mit zunehmen-
de r Sportlichkeit.
120
100
Imin")
60
Ba
Hint erwagen
,..__ ..__
_._-_ .
.L --
__
_--
.......,'-_......_-
·····..--....·T-
~
,
I l1",uain.n~
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I
! $POrttanrwe r;k
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,
" ·_·····- -
·_· ..1
L10t0us lnoh _u
Nor otalfahrw8 rk
Fahr ze uo.
_
u
Lut t1adar ng
20
40
Schw i ngzah l
o -l'--~-.;--~-.;--~-~~
o
120
Die Eigenfrequen z de s Fahrzeugaufbaus über de r Hinte rachse soll bei Straße nfahrz euge n
um 10 bis 20 % über je ner des Aufbau s über der Vorde rachs e liegen. Dadurch bildet sich
bei Fahrbahnanreg unge n eine Hubschwingung des Wagens anstelle einer Nickschwingung
aus [H1 6]. Bei Rundstreckenrennfahrzeugen mit hohen Eigenfrequenzen kan n eine andere
Auslegung bei ebenen Strecken vorte ilhaft sein [H07].
Die radbezogene Federrate cf für die Vorderachse folgt aus der Gleichung für die Auf-
bauschwingu ngszah l nr (siehe unten):
Cf = 0.01 1' nf .11I1,BlI.f
cf Fed e r rate radb ezogen für die Vorde rachse [N/m]
Die radbe zogene Federrate c r für die Hinterachse folgt aus obiger Gleichung mit den ent-
sprechenden Werten der Hintera chse (Index r stall f) , deshalb werde n in Folge nur die Glei-
chungen für die Vorderachse angeschrieb en.
Erfahrungs werte für Startwerte von radbezoge nen Federraten für die Vorderachse c f
können auch di rekt folgender Tabelle entnomme n werden :
Tab . H · 12 An fangs werte von Federra ten vorne (radbezo gen), nach [H34 ].
Fah r zeugtyp bz w . Renn serie
Verhältnis ei' m l,Bo,I [1/52]
For m el Ford
386 bis 425
Trans-Am
463 bis 502
Formel 2000
618
Spo rt Wagen
657
ALMS LMP (Le Mans Prototyp USA)
772 bis 850
GARllRL
888 bis 927
H Fahrwerk
Multipliziert ma n dieses Verhältnis mit der Aufbaumasse pro Rad I1I[. B o.f [kg], so erhält
man de n A nfa ngs wert der Ent w icklung der radbe zogenen Fede rrate Cf [N/rnJ.
nf=9.55·
m llo
"'l.Il",f·
ml,Bo,T
/III.ßo. f = 0.5 ' ( m V,f-IIIU.f )
Aufbauschwin gungszahl vorne bz w. hinten [min-I}
Rate de r Aufbaufeder vorne bzw. hinten bezogen
auf de n Radaufsta ndsp unkt [N /m]
Aufbaumasse [kg]. I1IB" = 2(/1/I.Bll,f + ml,fl o,r)
auf ein Rad wirkender Teil der Aufbaumas se vorne
bzw. hint en [kg]
my.r , Achslast vorne bzw. hinten [kg]
/1/Y. r
mU,f ,
m U.r
ungcfcdcrte Masse vorne bzw. hinten lkgl :
siehe Abschnitt 5.1
m1,BO,1
Bil d H-79
Zu den Gleichungen : Da rstell ung eines vereinfachten
Schw ingsystems eines gefede rten Wagenaufba us.
Es w ird n ur eine seit liche Hälfte des Fahrze ugs bet rach tet.
Cf
III1.Bo,( •g
so.r =
so.r
II1I.Bo.f
. g'iSp.r
sSp.f =-
.-=
ISp,f
('sp. r
so.r .
sO.r
CSp.r ,
cS p•r
isp.r •
iSp.r
SSpJ'
sSp .r
statische Rad-Einfederung vorne bzw,
hinten lml
Rate de r Aufb aufede r vorne bzw. hinten
IN/rn]
Hebel verh ältn is Rau zu Fede r vorne bz w.
hinten [-I: siehe Bild H-SO
st at ische Eindrückung der Fede r vorne bz w.
hinten [m]
-
1---
Je,"
J Lti
a
J~
Bild H·SO
Beispiel für Hebe lverhältnis Rad zu Aufbaufeder, vgl. auch
Bild H-68 .
i.; : !!..
,"
5 Däm pfer
Feder wege spring travel. Der gesamte Federweg s Sp,t (also von voll aus- bis ci ngcfcdcrt)
wird vom Verlauf de r Rennstrecke diktiert (je welliger, desto mehr Fcdcrwcg), kann abe r
nicht unabhängig von den zu r Verfügung stehenden handelsüblichen Dämpferbeinen fest-
gelegt werden. Die gä ngigen Gesamthübe liegen etw a zw ischen 80 mm (z. 8. für Einsitzer,
klei ne Spo rtw age n) und 150 mm (z. B. für Sportwagen, Tourenwagen) [H07 ].
Zur Auftei lung de s z ur Verfüg ung stehende n Fed er weg s siehe Bild H-67 un d Tabelle H-9.
Als Ext rembeispie l ergaben sich für ein For mel-I -Fahrzeug der .Ffügclära" (vor 1983)
folgende Zahlenwerte bei niedrige r Fahrg eschwindigkeit, d. h . der Einfluss des Abtriebes
ist noch sehr gering, nach [H07]:
Fahrzcug massc: 580 kg, d . h . Gesamtmasse inkl. Fahre r (74 kg) und halber Tankfüllung
(73 kg) bet rägt 727 kg.
Bei einer Massenverteilung vorne/hinten von 45 : 55 sind die Achslasten m V,f = 327 kg
bzw. "'V,r = 400 kg.
Aufbau ·
Aufbau·
Heb elv er- radbezc-
st atisch e Rate der
statische
s c hwin-
masse pro hältnis gene Rate Einfede-
Fe d e r Eindrü ckung
gungszahl
R"
der Feder
rung
der Fed er
n
ml,Bo
isp
c
'0
c"
'"
[min- 1 ]
(kg]
[-I
[NI mm]
[mm] [NImm]
(mm]
vorne
410
143
2,0
264
5,3
1056
2,65
hinten
504
175
1,2
489
3,6
704
3,0
Die Aufbaufedern waren also extrem steif ausgelegt, weil diese Fahrzeuge auch bei hohcr
Fahrgeschwindigkeit bei einem enormen Abtrieb den Bodenabstand halten mussten. damit
die dam als üblichen Schürzen zu r Untcrbodcnabdichtung wirksam blieben. Die Federwege
wurden mit ca , 38 mm auch entsprechend klein gehalten.
Die Federraren sollen in der Grundauslegung nicht zu hoch gewählt werden. An der
Hinte rachse wird man mit so weichen Fede rn beginnen, dass das Heck bei dem gewählten
Bodenabstand nicht den Bode n berührt. Mit der Feder ung der Vorderachse kan n da nn im
Ansc h luss das pr inzi pie lle Fah rve rhalt en eingeste llt werden.
Grobe Anhaltswerte für Federrate n zum Vergleich zeigt Bild H-HI für Pkw-Hinterach-
sen. Schwere Tou renwagen. wie sie in den USA aufden Ovalkursen betrieben werd en, habe n
Raten um 175 Nimm.
Aus de r Anregu ngsfrequenz f der Fahrbahn folgen Radlastschwankungen. die unter
an dere m vo n der radbezogene n Federhärte c u nd der Dä m pferko nstan te k D ab hänge n. Bi ld
H-8 2.
H
Zielberei ch
=
Feder rate am Rad
gleichseitig
[Nimm]
Federr ate am Rad
wechselseitig
(NImm)
,
20
,
20
oi
,
•
25
30
35
0,
i
i
,
25
30
35
rncusrr-te.
standard
,
-c
,
ac
,~
es
i ~as
Bild H-81
Federraten von Pkw -H int er-
achsen. nach [H03].
Beim wec hselseit igen Federn
kommt die verste ifende Wir-
ku ng des Torsionsstabilisators
h inzu un d d ie Raten erhöhen
sich .
H Fahrwerk
20
__ ___
kD~ 1300 Nsfm
-_._~ ko
= 2000 Ns/m
_.-
ko= 3150 "151m
5
10
15
Frequenz f [Hz]
o
•
"
20
-----
c~ 12 Nimm
-- c= 22 Nimm
__•__ c= 36 Nimm
5
10
15
Freq uenz f [Hz]
o
o
•
~,
•
1•
•
-
•
•
-
~ ~~~=:::::;-
•
"
Bild H- 82 Einfluss der Feeerrate auf die Badlastscb wank unqen [H05].
c radbezogen en Federrate. k o D ämpferkonstante
5.2 Schwingungsdämpfer Dampers, shoc k ab sorbers
Durch den Verlauf der meh r oder weniger unebenen Fahrbahn wird ein Fahrzeug beim
Fahren über die Räder zu Schwingungen angeregt. Damit die se rasch abklingen und die
Räder nicht durch Springen den Bodenkont akt verlieren. werd en Dämpfer benötigt. Diese
Schwingungsdämpfer werden im Fahrzeugbau auch Stoßdämpfergenannt. Beim Pkw ergibt
sich dabei zwa ngsläufig ein Zielkonflikt. Die Fahrsicherheit verlangt größtmögliche n Fah r-
bahnkont akt der Reifen , a lso ei nen straffen Dämpfer, während gleichzeitig der Komfort
durch ge ringe Aufb aubesc hle unigunge n. also kleine Dämpferkräfte und große Fed erwege.
aufrecht bleibt. An Rennfah rzeugen können die Dämpfer dagegen gezielt auf die geringste
Radlastschwank ung ausgelegt werden.
Eine erste Abschätzung der Dämpfkraft kann mit de r Differenzi algleichung de s Einmas-
sens ystems in z-Richtung erfolgen. Aufdie beschleunigte Masse 111 wirkt eine geschwindig-
keitsproport ionale Dämpfkraft und ei ne wegpropor tionale Federk raft ei n:
mi +ki:+cz ". {)
m Masse [kg)
/
,~
z
Lage der Masse [m]
Trägheits- Dämp f- Fed er-
kraft
kraft
kra ft
k Dämpfungsrate [Ns/m]
c
Fede rra te [N/m]
k
Der Wert D = --- wird als Dämpfung bezeichnet.
2~
Der Nenne r 2~ = kap wird aperiodische Dämpfung genannt.
Grenzfalle D = 1 aperiodische Bewegung, d. h . nach dem Auslenken bewegt sich die Mas-
se di rekt ohne Schw ingu ng in die Ruhelage zurück
D = 0 ungedämpfte Schwing ung, d . h . die Masse schwing t nach dem Auslen-
ken ewig um die Ruhelage
Bei Fahrzeugfederungen treten folgende Werte auf:
Pkw D = ca. 0,3 bis 0,4. Sportwagen D = 0,5, Formelfahrzeuge D = 0.7
5 Däm pfer
Beachte: Liegt ein Übersetz ungsverhält nis zwisc hen Radweg und Feder- bzw. Däm pfer weg
vor, so geht dieses quadratisch in k und c ein (s. auch Bild H-68).
Die Dämpferkräfte und die dad urch hervorgerufenen Beschleu nigu ngen beeinflussen
das Fah rverhalten erheblich:
Därnpfkraftcinstcllung: nied rige Dämpfkraft -. hoher Fahrkornfort. geringe Aufb aube-
schleunigung
hohe Dä mpfkraft
- . geringe r Fahrkomfo rt. aber geringere
Radlastschwa nk ungen - höhere Sicher-
heit bei spo rtlicher Fah rweise
Bei Serienfahrzeugen ergibt sich dadu rch ein Zielko nflikt. Einerseits soll der Fahrkomfort
hoch sein und andererseits darf die Fahrsicherheit jedoch nicht zu sehr darunter leiden. Eine
Lösung dieses Ziel konflikts ermögli chen variable Dämpfer, Bild H-83 .
H
Li mou sine\
hoc h
ef f ekt i ve Radlastschwank ung
_
gut
Fahrsicherhert
schlecht _
Bild H-83
Einf luss von Federhä r te und
Dämp ferr ate auf das Fahrverhal -
ten , nach [H26].
Eine steife A ufbaufeder und ein
harter Dämpfer erhöhen die Fahr-
siche rheit enorm , redu zier en je -
doch durch d ie hervorger ufenen
hohen Aufb aub eschleunigungen
den Fabrkomfo rt . Für Rennfahr-
zeug e ist die Wahl von Feder- und
Dämpferrate in d ieser Hinsicht
leic hter. Be i ihne n zählt nur die
Fahrsiche rheit.
Dämpferbauarten da rnper designs. Vo n den u nte rschied liche n g ru nds ätz liche n Bau ar ten
hat sich der Teleskop -Dämpfer durchgesetzt. Bei diesem wiederu m gibt es zwei unterschied-
liche Ausführungen. Der ältere Zweirohrdämpfer und der daraus entwickelte Einrohr- oder
Gasdr uckd ämpfer.
Zweiroh rdämpfer twin tube damper. Bild H-H4 zeigt die prin zipielle Wirkungsweise eines
Zweirohrdämpfers. Beim Einfahren de r Kolbenstange (I) strömt das Öl durch das Ventil A
des Dämpfcrkojbcns. Dieses Ventil weist allerdings keine große Drosselu ng auf, weil das Öl
im Arbeitsraum (5) praktisch nur unter Atmosphärendruck steht und Dampfblasenbildu ng
(Kavitation) bei großen Druckabfällen die Folge sein könnt en. Im Bod enventil (10) erfolgt
die Hauptdrosselu ng in der Dru ckstufe. wie das Einfahren de r Kolbenstange ge nannt wird.
D. h . die Drossel D des Bodenventils muss für den Ölst rom einen größeren Widerstand
erzeugen als die Bohrung A. Das Öl strömt dabei in den Ausgleichsraum (8). Der Aus-
gleichsraum muss etwa zur Hälfte gefüllt sein. Dadurch wird vermieden. dass bei extremen
Fahrzu ständen Luft durch das Bodenvent il in de n Arbeitsraum gesaugt wird. Der Ölspiegel
H Fahrwerk
Bild H-84
Wirkungsweise eines zw elrobrd än-pters.
1 Kolben stange piston rod
2 Kolben sta ngendichtung piston rod sea l
3 Rücklaufbohrung reum hole
4 Kolbenstangenführung pis ton rod guide
5 Arb eitsraum working cnsmcer
6 Kolben mi t Ventilen A und B piston wirt! va/ves
7 Zylinder rohr inner tube
8 Ausgleic hsrau m r e servoir
9 Außenr ohr oc re. tube
10 Bode nven til m it den Ventilen C und D toot ",slve
~~;;+rl ':::..
4
7
3
5
8
6
1
11
~.
2~~ 1Ii.·c ·: =·
.
.......
.........
I
9
im Ausgleichsra um sin kt bei ei ner Schrä glage des Dämp fers an der Obe rseite relativ zum
Bodenventil noch weiter ab. Deshalb sind einem schrägen Einbau Grenzen gesetzt.
Bei der umgekehrt en Beweg ung, die Zugstu fe. muss d as Öl durch die Drosselbohrung
B. Oberhalb des Kolbens ist das Öl-Volume n kleiner als unterhalb, weil die Kolbenstange
ja einen Raum ei nnimmt. Das dadu rch fehlende Öl unterhalb des Kolbens wird durch die
Bohrung C im Bodenventil aus dem Ausgleichsraum nachgesaugt. Das Öl wird dabei ober-
halb des Kolbens komprimiert und z wangsläufig wird ei ne geringe Ölmcngc auch durch den
Dichtsp alt der Kolbensta ngenführung (4) gedr ückt. Dieses Öl gela ngt über die Rückla uf-
bohrung (3) in den Ausgleichsraum.
Der Zwei rohrdä mpfer arbeitet auch bei geri ngem Ölverlust, hat aber den Nachteil,
dass seine Einbaulage um einen 45°· Bereich um die Senkrechte im zusammengedr ückten
Zusta nd eingeschrä nk t ist.
Vortei le:
e infa che Bauart,
ger inge Reibung durch Kolbe nsta ngendichtung mit relativ geringe n Anpresskräften,
kleine Baulänge.
Na chte ile :
wirksa me Ölk ühlung nu r im ringförmigen Ausgle ichsrau m.
Einbaulage stark ei ngeschränkt,
Absi nken der Ölsäule im A rbeitstraum bei längerer Stillstandsz eit des Fahrzeugs .
5 Däm pfer
Einrohrdä mpfer mo no ruhe dan tper. Die gängige Ausführung für Serien- und Rennfahr-
zeuge ist der Gasdruckdampfer. Bild 11 -85. Im Gegensatz zum Zwei rohrdämpfer weist
bei dieser Bauart der Dämpferkol-ben (3) zwei Drossel vent ile A und B auf. Damit in der
Druckstu fe Dampfbla senbildung unterb unden wird, steht das Öl unter Druck (mindestens
25 bar bei Raumtemperatur). Dafür weist der Dämpfer ein Gasvolumen (6) auf, das durch
den Trennk olben (5) vom A rbeitsraum (4) getrennt wird. Als Gas wird meist Stickstoff
(N2) eingesetzt. Diese Gasfeder gleicht auch das von der Kolbensta nge (1 ) freigegebene
Volume n in der Z ugstufe aus. Der hohe Gasdr uck muss allerdings entsprechend abgedichtet
werden. Die Dichtung (2) ist deshalb kräftiger dime nsioniert als je ne des Zweirohrdämp-
fcrs. A ls Folge sind die Losbrechk räfte des Einrohrdämpfers höher. Dafür kann er in j eder
Lage ei ngeba ut werden und wegen der Vorspannung des Öls spricht dieser Dämpfer rascher
an. Die unterschied lichen Flächenverhältnisse an Kolbenober- und Unterseite wi rken sich
durch den Gasdruck zwar nicht beim Drosseln aber nach außen hin spürbar aus. Auf den
Kolbensta ngenquerschnitt wirkt der Differenzdru ck des Gases zu r Atmosphäre hin. Das
resultiert in einer Kraft (z. B. 196 N bei 10 mm Kolbenstangendurchmesser und 25 bar), die
das Fahrze ug beim bloßen Wechsel von Zweirohr auf Einrohrdämpfer anheben kan n.
Der Ausgleichsra um mitsamt dem Trennkolben ka nn a uch vom restliche n Dämpfe r bau-
lich getre nnt werde n und wird da nn durch eine Druckleitung mit dem A rbeitsraum verbu n-
den . Dadu rch kann dieser Nachteil der längeren Bauweise gegenüber der Zwcirohrausfiih-
ru ng e ntkräftet werden.
Die Einrohrausführung hat gege nüber der Zwei rohrva riante eine Reihe von Vorteilen:
gute Kühlung, weil da s Zylinder rohr direkt die Wärme an die Umgebung abgeben kann,
bei gleichem Außendurchmess er ist ei n größe rer Kolbend urchmesse r möglich,
H
Bild H-85
Wirkungsweise eines Einrohrdämpfers (Gasdruc kdämpfer).
1 Kolb ensta ng e piston rod
2 Kolb ensta ng endichtung piston rod seal
3 Kolben mit den Ventilen A und B piston with veves
4 Arbeitsra um working cremoer
5 Trennkolben floating piston
6 Ausgleichsraum reserv»r
HFahrwerk
Ei nb aulage bel ieb ig,
kein v erschäumen des Öls (wegen der Druckvorspannung),
mehrteilige Ausführung möglich (Dämpfcrclc mcnt und Ausgleich sra um baulich gelrennt),
dadurch wird die Unterbri ngung erleichtert.
Als Nachteile ergeben sich dabei :
größere Losbrcchkräftc (Ansprechen des Dämpfers),
temperat urabh ängige Kolbensta ngen-Aus fahrkra ft .
höhere Kost en.
Einbauarten rypes ofinstallation . Dämpfer könncn -. w ie auch die Federn - entweder direk t
zw ischen Rahm en bzw. Chassis und dem Radrrägcr odcr cincrn Lenker angeordnet sein, oder
aber indirekt über Umlenkhebel betätigt werd en. Üblicherweise sind die Dämpfer so ei nge-
baut, dass beim Einfeuern die Druckstufe und beim Ausfedern die Zugstufe zur Wirkung
kommt. Ist die Einbaulage bei ei nem Dämpfer freigestellt, was bei einem Gasdruckdämpfer
der Fall ist, wird man jene Anordnung bevorzugen, bei der die urigefederte n Massen kleiner
sind. Das heißt konkret das schwerere Zylinderrohr mit dem Ausgleichsraum soll rahmenfest
sein, während die leichtere Kolbenstange sich mit den anderen urigefederten Massen mitbc-
weg t.
Eine typische Konsole zur Aufnahme eines Dämpferbeinauges ist in Bild "-86 darge-
st e llt.
Die Wahl der geeigneten Dämpfe rübersetzung kann bei Dämpfern mit konventionellen
Ventilen zu einem Problem werden, Der auft retende Geschwindigkeitsumfang des Dämp-
ferkolbens wird zu groß. Die Tendenz zu geringen Feder wegen kombiniert mit steifen Auf-
baufedern führt zu geringe n Dämpferkolbengeschwindigkeiten. Werden die Ventile nun im
Dämpfer für diese Geschwindigkeiten abges timmt, was für eine n Großteil der Fah rzeug-
geschwindigkeiten auf de r Rundst recke passt, si nd sie bei Stößen überfordert. Zu solchen
Stößen kommt es auf der Rundst recke bei einer engen Linienwahl mit Überfahren der Kerbs
oder aufStraßenkursen durch BankeIl und Schlaglöcher. Umgekehrt wird die Ventileinstel-
lung für hohe Kolbengeschwindigkeiten unbrauchbar für die restlichen Bedingu ngen. Die
Lösung bieten Dämpfer mit zusätzlichen Druckst ufen ventilen für große Kolbengeschwin-
digke iten.
-~
I
I
Bild H -86 Ko n sol e für einen Dämpfer.
Die Konsole wird w agense itig verbaut. a lso am Rahmen bzw. Cha ssis , am Get riebe usw . angeschraubt.S ie
ist a uf die bevorz ugte Z ug/Druckrichtung d es Däm pfe rs - etwa pa rallel zur Auf lagefläche - a usge legt.
5 Dämpfer
Die Dämpfer nehmen funk tionsbedingt Arbeit auf. Diese wandeln sie in Wär me um. die an
die Umgebung abgeführt werden muss. Liegen Dämpfer im wagenin neren. müssen sie bei
manchen Fahrzeugen (z. B. an der Hinterachse von Prod uktionssportwagen) zwa ngsgekühlt
werden. z . B. durch Luftschächte. die an die Außenseite der Arbeitsräume geführt werden.
Dämpferkennlinien d amper charakteristics. Die Däm pf ungsk raft . wie s ie z . B . Hydra u-
likdä mpfer bereitstell en, ist geschwindigk eitsprop ortional. Bei geri ngen Hubgeschwind ig-
keiten des Dämpfers sind die Reaktionskräfte klei n und mit zuneh mende r Geschwindig-
keit wachsen die Kräfte an. Das bedeutet aber auch. wenn die Kolben stange bzw. genauer
der Kolben sich nicht bewegt. wird keine (Dämpfungs-)Kraft bereitgestellt. Werden solche
Kräfte gebraucht. z. B. zum Stützen des Wagenkastens bei kon stanter Kurvenfahrt. so müs-
sen diese von Aufbaufede rn und/oder Stabilisatoren aufgebracht werden.
Der gewünsc hte Verlauf von D ämp ferkräften w ird über d ie Drosselvent ile ei ngestellt. Zur
prin zipiellen Beeinfluss ung gibt es da bei meh rere Möglichkeiten. die auch kombiniert wer-
den können. Zum Einsatz kom men unabgcdccktc Drosselbohru ngen und solche mit tederbe-
lasteten Ventilen. Die Ventilfedern können vorgespannt sein oder es können mehrere Drossel-
bohru ngen von unterschied lichen starken Ventilfeder n hint ereinande r freigegeben werden.
Jü ngste Entwicklunge n bereichern die Verstellmög lichkeiten um einen e ntscheide nde n
Paramete r. näm lich die Viskosität des Dämpferöls selbst. So genan nte clcktro-rhcologischc
Flüssigkeiten aus Silikonöl und Polym eren sowie magncto -rhcologischc Flüssigkeiten. ei ne
Suspe nsion mit cisc nhaltigcn Teilche n. ändern ihre Eigenschaften unte r Einfluss eines clck-
Irische n Stroms. So kann über ein elekt risches Signal im Millisek unden bereich die Visko-
sität und damit die Reaktionskraft des Dämpfers geä ndert werde n. Dämpfer solcher Bauart
sind be reits bei Pkw d er Ob erk lasse im Se rieneinsatz.
Zur Bestimmung von Däm pferk ennlinien (Kraft-Geschwindigkeitskennlinie) wird de r
Dämpfer auf einer Prüfma schine mit konstantem Hub bet rieben und die Drehzahl "u der
Maschine stufenweise variiert und d amit die Dämpfergesch windigkeit. Das ergibt das
Kraft-Weg-Diagramm . Bild " -87. Die größten gemessenen Kräfte in Zug- und Druckrich-
tung werden in dem Diag ram m rechts bei der z ughörigen Gesc hwindigkeit eingetra gen. Die
Geschwindigkeiten folgen dabei der Beziehu ng:
1t. sI)'Jl[)
\ 'O.ma x
max. Kolbengeschwindigke it [m/s]
"
-
Dcmax -
60
sD
Dä mpfe rhub lml
"u
Drehzahl der Prüfmaschi ne [min-I]
-
Hub- 100 ••
Bil d H-87 Erm itt lung von D ärnpterkenntrsen . nach IH 16].
Die Wer te von de r Prüfmasc hine (links) w er d en als Kraft-Geschwind igkeits-Kennlinie aufgetragen.
H
H Fahrwerk
E~ kommen auch Prüfmaschinen zum Einsatz. bei denen der Hub bei festgehaltener Dreh-
zahl stufenweise geändert wird.
Die Kolbengeschwindigkeiten können grob in diese Bereiche unterteilt werden [H7):
nieder
0-0.05m/s
mittel
0,05 - 0,13 m/s
hoch
0,13- 0,20 m/s
sehr hoch
0.23 - 0,30 m/s
ext rem hoch
über 0,33 m/s
Ocr Verlauf de r Dämpfungskra ft über der Ges chwindigkeit der Kolbenstange muss jedo ch
nicht linear sein. sonde rn kann davon abweichen und mit der Geschwindigkeit zuneh men
(progressiv) ode r abnehmen (deg ressiv), Bild 11 -88.
1"-
""b
Bild H-Se
Dämpferdiagramme [H16).
Die Dämpf ungs kennlinie Fo(vo)
kann progressiv (a), lin ea r (b) o der
degress iv (c) sein. Kurvenverlauf
und Diagramm/arm Fo(Hubj hän-
gen d ireKt zusammen, Di e Kleins -
te Fläche u nd dam it d ie geringste
Dämpfung hat das zu einer pr o-
gressiven Kurve gehö rend e Dia-
gram m und die größte das der
degress iven Dämpf ung .
Der Verlauf de r Dämpf ungsKenn -
linie lässt sich durc h den Expo -
nenten n in einer Gleichung aus -
d rücke n:
FD"'kD'I'8
F.
F.
___-t--=
.
a
b
c
F.
n>1 --..
progres siv.
n-1
- -..
linear.
n < 1 --.. degressiv.
FO Dämpferkratt [N]
k o D ärnoterkon stante [N(s/m)n]
vo KolbengeschwindigKeit [m/ s]
In die Bestimmung der Rad- und Aufb audämpfung gehen vereinfacht nur die maximale
Kolbengeschwindigkeit vO,max sowie die größten Dämpferkräfte in Zug- F2 und in Druck-
richtung Fl ein. Beide sind leicht messbar. Bei dieser Vereinfachung bleibt die Form des
Diagra m ms unberücksichtigt. Die mittleren Kräft e könnte man aus der Höhe des fläche n-
gleichen Rechteck s bestimmen, Bild H-H9.
Mit verstellbaren Dämpfern lässt sich der Zielkonflikt zw ischen Komfort und Sicherheit
bei Serienfahrzeugen lösen. In Bild H-90 sind drei verschiedene Kennlinien eines Dämp-
320 I
5 Dämpfer
mittle re Zug -Oä mpf ungskraft
Bild H-89
M itt lere Dä rnptunqs kratt, nac h IH 16].
Die m itt lere Dämpfungskraft in Zugr icht ung ist die
Höhe des Rechtec ks mit der Länge - Hub. das
de nse lben Flächeninha lt au fweist wie der Abschnit t
unte r de r Dämpferkurve o berha lb de r n-unie. Die
mittlere Dämp fungs kraft in Druckrichtung e rgibt
sich in sinngemäßer Weise unte rhalb der ü-une.
mit tlere Oruck-Dämpfungskraft
H
Zug stufe
2000 -l : """
,/
,
....... .............. ......... L. ...
0,5
Geschwi ndigkeit vg [m/5]
- -----_"&mfo r t !
- - -;....._.
1000
z
0
u,
~
~
•c
~
0
•0
c,
~
~
E
'.e
1000
______.
.
._1
_
------------------------------------------------------~---
Drucl<stufe
normal
l<omf2,fl _
-
---
---
norma l
ce:
Bild H-90
Variable Däm pfung eines
Zweirohrdämpfers mit zwei
Steüventüen .
Die Einstellung . S po rt" ist d ie
Grundkennlinie. Die beide n
we iteren Ken n lini en erge ben
sich du rch versch iedene Off -
nu nqsque rschmtte der zwe i
Stellventi le.
Für die Grund kennl inie erg ibt
sich bei der Zugstufe:
n-0.5 und
1<0 - 2773 ,5 N(S/mjO·5
un d bei der Druc kstute.
n-0.64 und
1<0 - 1214 N(sJm)O.64
fers zu sehen, d ie dur ch Einstellen von zwei Stellvent ilen erreicht werden. Man erkennt,
dass bei der Komfort- Einstellung wesentl ich geringere Kräfte auftreten als bei der Sport-
Einste llung und dass in der Zugst ufe. also beim Ausfedern . höhere Kräfte bereitgestel lt
werden als in der Druckstufe .
Diese Grun de rkenntnis . dass d ie Zugstufe wichtiger als die Druckstufe ist, findet sich bei
alle n Fahrzeugen u nabhäng ig von ihrem Verwend ungszwec k. Die tatsäc hliche Aufte ilung
der Dämpferkräfte vari iert natürlich in Abhängigkeit vom Einsatz. Das Verhältni s Zug kraft
zu Druck kraft liegt bei etwa 3 : I bei Straßenfahr zeugdä mpfern . Bei Rennfah rzeugen liegen
die Verhältnisse bei 2 : I bis 1,5 : I in Extremfallen bei I ; I [H07].
H Fahrwerk
80
o 0,3
Ir~". Dr"c~dUpfu"g
2,3 3
Zug/Druck [-I
900
Bild H-91
Einf luss de r Dämpfera us -
legung auf die Radlast-
sch wan ku nqen,
Bei einem Verhält nis Z ug - zu
Druckst ufe von 1 erreichen
die Radlasts chw an kung en ein
Minimu m. Die Bod enhaft ung
ist also bei dieser Aus leg ung
am bes ten . De r Federu ngs-
kornfor t ist dabei allerdings
nicht op timal. we sweg en für
Pkw d er sc hraffierte Bereich
bevorzugt wi rd.
Eine asymmetrische Kräftea uftei lu ng zwi schen Ein- und Ausfedern führt bei ununterbro -
chener Schwingungsanregu ng zwan gsläufig zum Absinken des Fahrzeugs. Diese dyna-
mische Abscnkung ergibt sich etwa zu [HOH]:
451)1]D kD•2
-
k D.l
L\hm l Ä nderung des Bodenabsta nds [mm]
M rcf ...
n:
kD2 +k[)1
So
Dämpferhu b [mm], für d iese Gleichung wird ange-
.
.
nommen, da ss die Erregeramplit ude gleich groß
ist.
'I
Frequenzverhältnis (-J. '1 - ' " I '''0- mit "'0 Eigen-
freq uenz. Oie ob ige A nnah m e zum Dämpfe rhub
stimmt oberha lb von '1 - 5.
D
Lehr's ches Dämpfungsmaß l-l
Bei kleinen Erregera mplitude n oder annä hernd sy m met rischer Dämpfe rauslegun g bleibt
diese Abse nkung vern achlässigbar klein. Dieses Phänomen lässt sich im praktischen Betr ieb
allerdings sehr wohl beobachten. wenn der Dämpfer für die Aufb aufeder zu straffausgelegt
ist.
Zu große Zugst ufe ndä mpfu ng ist aufjeden Fall schlecht, weil dan n das gedämpfte Rad
beim Wanken in der Kurveneinfahrt zu wen ig Aufst andskraft erhält und damit wen iger Sei-
te nkra ft aufbaut , als es mög lich wärc. Das führt zu m Unte rste uern bei zu stark er Zugstufe
vorne und zum Übersteuer n, wenn hinten die Zugstufe zu straff ist.
Aus fü hru nge n designs. Dämpfer werden in unt erschi edl ichsten Ausführu ngen angeb oten.
Für Rennfah rzeuge sind ei nstellba re Dämpfer mit separater Feder (coil over damperv Stan-
dard. Die Feder lässt sich so mühelos tauschen , was vor allem in der Entwicklungspha se
eines ncucn Wagens von Vorteil ist. Die getrennte Einstell ung von Zug- und Dr uckst ufe
ermögl iche n Stell r ädc hen m it Rasten. So ka n n eine Feinei nstellu ng ohne Zcrlcg ungsa rbcitcn
vorgenommen werden , vorausges etzt der Dämpfer ist nicht allzu ..versteckt" im Fahrze ug
angeordn et . Für die grobe Vorei nstellung können bei manchen Typen ganzc Vent ilpakete
geta uscht werden, dazu ist allerdi ngs der Dämpfer vollständig zu entleeren und zu zerlegen.
5 Däm pfer
H
••
o
N
M
!
12
13,-
__
9
10
5
6
Bild H -92 Dämpfer-Fede rbein eines Rennfahrzeugs, nach IH12].
Das Element wird als Monofederbein an der Vorderachse über Schubstrebe betätigt. Zug- und Druck-
stufe sind getrennt einstellbar.
1 Druckstufenverstel lung über Drehknopf. Schraube hineindrehen - härter stellen.
2 Zugstufenverstellung über Drehung der Kolbenstange
3 Federteller verstellbar (Fe dervorspannung)
4 Feder. Steltiqkelten zwischen 120 und 210 Nimm
5 Verschlussschraube im Stopfen 6. Sie dient zum Druckabtessen. zur Druckmessung und zum
seröueo des Behälters mit Stickstoff. Fülldruck 8 bis 9 bar,
6 Verschlussstopfen Snckstottcehätter
7 Sprengring. hält Stopfen 6.
8 Trennkolben zwischen Arbeitsraum und Stickstoffbehälter
9 Federsitz
10 Sprengring. sichert FOh rung 12
11 Kolbenstange
12 KolbenstangenfOhrung
13 Venlilplatten für Druckstufe (3 Stück)
14 vennotatten fur Zugstufe (6 Stück)
Bild 11-93 zeigt ein Dämpfer/Federbein mit den w ichtigsten A nschlussmaßen. Der m aximale
Hub ist bauartbedingt vorgegeben und mus s den gesamten Federweg (Ein- und Ausfederweg
abdeck en }, D er D r uckan schl ag kann aller di ngs angepasst we rden, indem das El astomerstü ck
(3) ausgetauscht wird. Die Gesamtlänge ergibt sich durch den maximalen Hub und die Bau-
art. Bei gleicher Bauart zieht eine Erweiteru ng des Hubs eine Vergrößerung der Gesamt-
länge um die doppelte Erweiterung nach sich. So weist ein typischer Einrohrdämpfer mit
integriertem Ausgleichsvolumen mit 50 mm Hub eine Gesamtlänge von 250 mm auf. Wird
1323
H Fahrwerk
5
•
IB-
GeSa~tlängc'
_
3j
B-
Fede r läng e
11eax.
"
2
ö
)(
..--f=:r"1fll-.,.." Q
~=4jt-
Bild H -9 3 Einbauma ße eines Dampfe rs ,
Die Sch rauben feder w ird von e inem ande ren Liefe ranten bezogen und ist am D ärnpter noch nicht vor-
handen. Der obe re Federteuer weist eine Ausspa ru ng auf und kann so ohne Demontage des Dämpfers
ent fernt we rden. De r untere Federtel ler ist als Mutter ausgebildet und e rmög licht eine Änderung de r Fe-
dervorspannung. Die Schrauben feder wird über den Dämp fer geschoben, danach wi rd der obere Feder -
teller montie rt. Der m axima le H ub ist oh ne Drucka nsch lag gemessen.
1 Ge lenklager mit rxstanznusen spherical b earing with specer bushes
2 Feder teller oben spring perch
3 Druckansch lag bump stop
4 Feder teller unten tower spring plarform
5 Konte rm utter lock nut
aus derselben Baureihe ein Dämpfer mit 130 mm Hub verbaut, müssen die Aufnahmepunkte
410 mm (= 250 + 2 ·80) entfernt sein.
Dämpferkolben weisen einen Durchmesser in der Größenordnung von 30 bis 46 mm auf
bei einem Kolbenstangendurchmesser von 11 mm.
Übliche Dämp ferhübe reichen von 50 - 83 mm für Einsitze r, kleine Sport wagen sowie
Kit Cars bis 150 mm für Tourenwegen. Für den Rallye- und Geländeein satz werden noch
g röße re Hübe e rford erl ich.
Die Gele nke in den Aufnahmeauge n sollen Gelenklage r sein. Diese haben sich bewährt
und erze ugen keine z usätz lichen (nichtlinearen) Elasti zitätcn, wie dies bei de n Pkw-üblichen
Gummilage rn und Stiftgelenken der Fall ist. Gummilager können auch nachträglich gegen
Gelenklager getauscht werden. Die Aufnahmebohrungen passen z u gängigen Lagern (mit
112" oder 15 mm lnncndurchmcsscr). Es müssen bloß zwei Distanzhülsen zusätz lich vor-
gesehen werden, soll die ursprüngliche Lagerb reite erreicht werden, beispielsweise um die
vorha nde ne Aufnah mekonsole z u ve rwende n.
Wie kaum mehr bei anderen Bauteile n an Rennfahrzeugen darf man nicht mehr für sein
Geld erwarten als man investiert. Die Leistungsspanne ist weit und ebenso verhalten sich die
Kosten. Grob sehen die Verhältnisse wie folgt aus. Die Vergleichsbasis sei ein nicht einstell-
barer Dämpfer eines Serien-Pkw mit dem Preis K. Dann ergeben sich diese Preise [H07J:
324 1
5 Däm pfer
ZugIDruc kst ufe kombi niert ei nstellbar, Aufnahme in Silentbloes : 3 K.
ZugIDruc kst ufe kombinie rt einst el lbar, Lcicht mctal l-Fcdc rtcllcr, Aufnah me in Gele nkla-
ger, hohe Qua lität: 6 K-7 K.
Zug- und Dr uckstufe get rennt eins tellbar, m ittlere Qua lität: 12 K.
Zug- und Druckstufe getrennt einstellbar, zerlegbar, Spitzenqualität: 15 K- 20 K
Zug- und Druckstufe getren nt einstellbar, zerlcgbar, se parater Ausgleichsbehälter, Spitzen-
qua lit ät: 23 K.
Mehrfach einstellbare Ventile für unterschiedliche Geschwindigkeitsbereiche. zerlegbar.
separater Ausgleichsbeh älter. Spitzenqualität: bis 40 K.
Werkstoffe. Kolben stan ge n: Vergüt ungsstahl C k45 V vergütet auf Rm = 750- 900 N/ m m 2.
Randschi chtgehärt et a uf58 +2 HRC, z usätz liche Hartchromschic ht m it Supc rfinish-Bchand-
lung auf eine Rautiefe Rt = 0,2 u m (fiir das Zusam menspiel mit derStangendichtung eines Ein-
rohrdämpfer s) [HI6]. Kolbensta ngenführ ung: Aluminiumknctlcgicrung (AIMgSi 1 F 28)
mit hartanodisic rtcr Lauffläche [HI6]. Gehäuse : Alumini umk netlegieru ng, fließgepr esst
und hartanodisicrt.
Schwingungstilger muss dampe r. Eine interessante Alternative z ur Verringeru ng der Rad-
last schwanku nge n (z. B. Bild H· 82) bietet ei ne Tilgcrmassc, Bild "-94. Der Schwingungs-
tilgcr wird auf der Fahrze ugmittelebe ne auf einer Achse so rahmenfest montiert, dass die
bewegliche Masse (1) auf und ab gleite n kan n. Durch die Hubbewegung des Fahrze ugs
wird die eige ntliche Tilgcrmassc z u Schwingungen angeregt, die wiederu m auf die Schwin-
gunge n des Fahrzeugs rückwirkt. Die Ausschläge der Fahrzeugschwingungen (ist ein Maß
für die Radlast schwanku ngen) werden in einem bestimmten Frequen zbereich durc h den
Tilger stark verringert. Durch die Masse, der Feder und die eingeschlossene Luft, die über
Bohrungen als Dämpfungsmedium wirkt, kann de r Tilgcr auf da s Fahrzeug abgestimmt
werden. In der Regel wird seine Eigenfrequenz leicht über der des Rads (Radschwingzah l)
H
Bild H-94
Sch wing ungstilger. nach [H35].
1 b eweglich e Tilgerma sse moving damper mass
2 Befest igung faslening
3 Fed er spring
Das Gehäuse w ird übe r die Befestigung (2) am Rah-
me n anqeb-acn t, Die Tilge rmasse (1) gleitet a nge regt
dur ch d ie Fahrze ug hubbeweg ungen auf und ab. Eine
Feder (3) und die eing eschlosse ne Luft bewirken
Kräfte. die die Bewegung der Masse beeinflussen.
H Fahrwerk
eingestellt. Die Wirk ung ist also auf einen ausgesuchten Bereich ei ngesc hrä nkt. Für Renn-
fuh rzeuge. d ie auf Rundstrecken fahre n, stellt das kein Problem dar. Ocr Schwing ungst ilger
kann ja für jede Strec ke mit ih ren eingeprägten Unebenheiten abgestimmt werden. In de r
Formel I wurde n von ei nige n Teams erfolgreich Tilger eingesetzt. Renault fuhr so bei-
spielsweise mit je eine m Tilgcr an der vorder- und der Hinte rachse in de r Grö ßenordnung
von 10 kg [ H36]. Die ses Mehrgew icht von 20 kg mag de n Schwerpu nkt leicht angehoben
haben (die Gesamtmasse blieb davon unberührt - es werdenja wesentlich mehr Ballastmas-
sen mitgeführt), die ausgleichende Wirku ng auf die Radlastschwa nku ngen haben dies abe r
mehr als überkomp ensiert. Inzw ischen wurde der Einsatz solche r Hilfsmittel vom Regle-
ment wohl aus Angst vor zu großen beweglichen Massen unterbunden.
Bei Fah rzeugen , die auf unterschiedlichen Untergründen unter wegs sind, ist der Einsatz
eines Schwi ng ungsti lgers natu rge mäß begrenzt. Passt d ie Abst imm ung auf einer Aspha lt-
strecke, ist d ie Wirkung des Tilgcrs auf Schotter stark eingeschränkt, wen n die Radh ubbe-
weg ungen wese ntlich stärker sind .
Tügcr massc n we rde n auch im Serie n-Pkw-Bau geschickt ei ngesetzt. So werden für die
bauartbedingt tors ionswe ichen Karo sserien von Cabriolets die Schwiegausschläge über
vorha ndene Massen wie Batt erien und Hydraulik pumpen. aber auc h über Zusatzmassen
klein geh a lten.
6 Stabilisatore n Stabilisers, an ti ro ll bars, A E: sway bars
Die Aufbaufede rn nehm en zwarei nen Teil des Wankmome nts auf, das bei Kurvenfahrt den
Aufba u neig t, werden aber nich t d afü r a u sg eleg t. Das Wank mo ment setzt der Torsionsstabi-
lisato r ins Gleichgew icht, indem er bei wechselseitiger Federu ng geboge n u nd/oder tordie rt
wird , Bild H-95 . Bei gleichseitiger Federung ist er nicht aktiv. Wegen dieser Wirkung des
Sta bilisators bra ucht d ie Aufbaufederzur Red uzie rung des Wan ke ns nicht u n nötig steifaus-
ge führt werden. Der Stab ilisator d ie nt a lso d e r Sta bilis ier ung der Lage des Fahrzeuga ufbaus
parallel z ur Fahrbahn . Sein Name ist abe r nicht in seine m Einfluss auf die Fahrstabilität
beg ründet, denn z ur Verbesserung der Fah rstabilität sind a ndere Maßnah men geeigneter.
So ko m men bei Straßenfahr ze uge n elastekinema tische Gele nke oder elektron isch geste u-
erte Einzelrad- Brems ei ngri ffe zu m Einsatz. Zu r Verhi nde rung der Rolln eig u ng vo n d ur ch
Transportaufgaben bedingten hohen Aufba uten, wie z. B. Co ntainertransport, sind die Sta-
bilisato ren unentbehrlic h.
De r Stabilisator bedeu tet eine Koppel ung der be iden Räde r einer Achse u nd f üh rt die
Einzelradaufh äng ung schwingungstechnisch etwas an die Starrachse hera n. Bei Fahrzeu-
gen mit Einzelradaufhängu ng sollte man den Stabilisato r vermeiden. wo es möglich ist. Bei
nur in einer Fahrspu r auftrete nde n Hindernissen wirkt die Federung durch die Wirkung des
6 Stabilisa toren
H
-
/
Bild H- 95 Stabi lisator bei geneig tem Wagenkaeten, Schema.
1 Koppelst ange Iinkage
2 Lagerung bearing
3 Stabilisator anti roll bar
Der Stabil isator (3) ist in den Lagern (2) d rehba r g eführt und an seinen Enden in den Gelenken T, über
die beiden Koppeln (1) m it de r Rada ufhä ng ung verbunden.
Stabilisators härter. Aus d iesem Gru nd sollte bei der Fahr zeugentwick lung z uerst versucht
werden, alle Mittel, die eben falls der Rollneig ung entgegenwirken, maßvoll ein zuse tze n.
Das sind einmal die Mittel, die da s Wankm oment selbst verkleinern, wovon d ie Verring e-
rung der Schwerpunkthöhe das wichtigste ist. Zum anderen gibt es Mittel am Fahrzeug, die
d ie Rollsteifigkeit der Achse erhöhen: größere Spur weite, gee ignete Elasteki nemat ik mit
angemessen hohem Rollzent rum unter Beachtu ng der Spurweitenänderung oder progres-
sive Feder ung. Am elegantesten lässt sich die Rollneigung mit Hilfe einer aktiven Feder ung
verhindern.
An Rennfahrzeugen sind Stabilisatoren das Mittel zum Einstellen des gewünschten
Eigenlenkve rhalte ns. welches j a nicht nur kon zeptbedingt vorgegeben ist, sondern sich
du rch ände rndes Reife nverhalten. auftretende A nt riebs-/Bremsk räfte, Wetter verhältn isse
usw. ändert. Es kan n für die Balance des Wagens genügen, an nur einer Aehse einen Stabi-
lisator an zu bringen. Der Stabilisator ist das wirk samste Mittel, bei Kurven fah rt die Rad-
lastdifferenzen an einer Achse, also deren Rollsteifigkeit. z u erhöhen. Eine g rößere Rad-
lastdifferenz zwischen Innen- und Außenrad fiih rt zu g rößerem Rcifcnsch räglau fwi nkcl,
weil der Reifen Seitenkräfte degressiv also nicht linear über der Radlast aufb aut. Soll am
ausschlaggebenden kurvenäußeren Reifen eine überproportional größere Seitenkraft mit
einer g rößeren Radlast hervorgerufen werden, so ist ein größe rer Schräglaufwinkel hierfür
er forderlich, vgl. Bild H-I und Bild G-29. Ein ste ifer Stabilisato r an der Vorderachs e erhöht
im Allgemeinen so z. B. die Neigung zum Untersteuern, eine höhere Stabilisierung der Hin-
terachse lässt den vorder radangetr iebenen Wagen neutraler werden .
Dadurch dass der Stabilisator beim Wanken die Radlast des kur venäußere n Rads an die -
ser Achse erhöht (das kann so weit gehen, dass er das innere Rad abhebt, Bild H-96), erhöht
er auch die Radlast des diagonal gegenüber liegenden Rads, also dem " benachteiligten"
kur veninneren. An dieser Achse werden die Radlasten dem nach etwas ausgeglichen, was
der übert ragbaren Gesamtseitenkraft an diesem Fahrze ugende zu Gute kommt. Im gleichen
Sinne wird auch die Traktion dieser Achse verbessert, gleichzeitig wird allerdings die Trak-
tion der anderen Achse, wo der Stabilisator direkt wirkt, schlechter.
H Fahrwerk
Bild H-96
Auswirkung eines Stabilisators.
Bei einem Fronttnebler ist die
Neig ung zum Un tersteue rn na-
turgemäß gr oß. Ein steifer Sta -
bilisator an der H inte rachse hilft
bei Kurven/ahrt die Radlasten an
der Vorderachse zu verqrec ns-
mäßigen. allerdings auf Kosten
der Baolast verschiebu nq an d er
Hinterachse. In einer Linkskurve
hebt so im Bild das innere Rad
der Hin terachse sichtbar ab .
Für die geplante Wirku ng ei nes Stabilis ators ist ein steifer Fahrze ug rah men Vorra usset-
z ung. Ein (z u) weicher Rahmen wird vom Stabilisator tordiert ohne da ss die Radlasten sich
wese ntlich ändern .
Stabilisatoren werde n an ei ner Achse manchmal gänzlich weggelasse n. An der ange-
triebenen Hinte rachse kann so die Traktion bei Kurven fahr t erhöht werden. allerdings auf
Kosten ei nes stärker belasteten kurve näußere n Vorde rrads [H07]. Der Radla stbeitrag. um
den das hinte re kurvenin nere Rad stärker belastet wird, sta mmt ja vom diagonal gege nüber-
liegende n Vorderrad, desse n Feder de r Stabilisator verhärtet hat.
Stabilisatoren sollen so angebracht sein, dass Einstellarb eiten oder Ände runge n leicht
vorge nommen werden können. Die Stabilisatore nde n bea nspruchen einen Bewegun gsrau m
beim vollen Radhub. der auch bei eingeschlagenen Vorde rrädern zu kei ner Kollision führen
darf. Der Stabilisatorr ücken sollleichtgäng ig gelage rt sein. Ähnlich wie bei den Aufba ufe-
dern (Abschnitt H 4) ist auch bei Stabilisatoren ei ne linea re ode r prog ress ive Fede rke nnli-
nie erw ünscht. Dieses Verhalten kann du rch entsprechendes A nordnen de r Koppelstreben
am Fahrwerk erreicht werden. Degressives Verhalten von Stabilisatoren muss unbedingt
vermiede n we rden . Ein solches Fahrze ug reagiert auf Änderungen von Stabilisatoreinstel-
lungen praktisch nicht.
Es werden auch Stabilisatoren verbaut. deren Steifigkeit sich vom Fahrer währ end der
Fahrt verstellen lässt. Der bauliche Aufwan d - vorausgesetz t das Reglement lässt dies zu
-
lohnt sich in bestimmt en Fällen. Bei längeren Renn en können sich Strecke nverhältnisse
ebenso ände rn, wie Tankinhalt und Reifenzustand. Das alles z usammen beeinflusst das
Fahrverhalten des Wagens, der sich dadurch vom eingestellten Wunschz ustand entfernt.
Ein geübter Fah rer hat durch einen solchen Verstellhebel nun die Möglichkeit, das Fahrzeug
wieder in die gew ünschte Richtung zu trimm en und die Rundenzeiten weiterhin niedrig zu
halten .
Diese Syste me sind st ufenlos verände rbar, was a llerdings mehr im Mecha nismus als in
eine r Notwendigkeit begründet ist. Tatsächlich werde n Änder ungen bei de r Fahr zeugabstim-
mung ja in spürbare n Sprü ngen durchgefü hrt . Bei sprinta rt igen Rennen reicht die Einstell-
ba rkeit über auswec hselba re Stabilisato releme nte unter schiedlicher Steifigkeit aus. Verstell-
bare Stabilisatore n finden sich meist an der Hinterachse. Und zwa r aus dem einfachenGrund.
dass die Rea lisieru ng leichter fällt, weil weniger Bautei le die Unte rbri ng ung stören .
328 1
6 Stabilisa toren
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1"
Bil d H- 9 7 Kennfeld von akt iven Stabi lisatoren.
Das Kenn feld stellt für ein bes timm tes Fahrze ug und einen bestimm ten Reib w ert die Verteilung der Stabi-
lisators t eifigkeiten vorne zu hin ten dar.
Jüngste Entwicklungen zielen bei Pkw auf aktive Stabilis atoren. Dabei ist der Stabilisa-
to rrüc ken nicht einte ilig, sondern getrennt und d ie beiden Enden werd en übe r ein en Stel l-
motor verbunden. Durch diesen Stellrnotor können die beiden Stabilisatorsche nkel gezielt
gegeneinander verdreht werden, wodurch die Steifigkeit erhöht bzw. vermindert werden
kann [H32]. lIild H-97 zeigt ein Kennfeld für ein Fahrzeug mit aktiven Stabilisatoren an
beiden Achsen auf trocke ner Fahrbahn (Jlv.' '" 0,8). Das Fahrzeug ist ein typ ischer Pkw,
also mit leicht untersteuernder Basisauslegung. Bei geringen Fahrgeschwindigkeiten und
niedrigen Querbeschleunigu ngen wird der hintere Stabilisator von einem Bordrechner steif
gestellt und das Fahrzeug im Eigenlenkverhalten dadurch neutral. Das Fahrzeug weist in
dem Zustand bessere Handlingeigenschaften auf und ist deutlich lenkwillig er. Je näher der
Fahrzustand an kritische Bereiche herankom mt, desto mehr wird die Charakteristik des
Wagens unter steue rnd eingestellt. Bei hohen Geschwindig keiten und/oder hohen Q uerbe-
schleun igungen wird also de r vordere Stabilisator steifer und de r hinter e weicher gestellt.
6.1 Berechnung Calculation
Als Ausgangsbasis dient die Empfehlung den max. Wankwinkc1 von 2,5<> bei Tourenwagen
und von 1,5<> bei Einsitzern bei einer Querbeschleunigung von 1 g nicht zu überschreiten
[HO?]. Generell sollen die Wankwinkel unter 4° bleiben. Z um Vergleich wanken Serien-
Pkw bei I g Querbeschleunigung um etwa 5<> bis 6° [H17], falls sie eine solche Reifenhaf-
tu ng überhaupt aufzuba uen im sta nde sind, vgl. auch Bild J-2 .
H Fahrwerk
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Bild H-98 Definitionen der für d ie Bere chnung erforderlichen Strec ken.
Ba Actbacscbwe rpunät, U Schwerpunkt der ungefederten Massen. Ro Rollzentrum
Indizes: I vorne , r hinten
Betra chtu ng der beteiligten Massen:
//IBo Masse des Aufbaus (gefederte Masse) (kgJ
IIlno,f auf die Vorderachse wirkendender Teil der Aufbau-
m asse [kg]
"' BO,T aufdie Hinterachse wirkenden der Teil der Aufb au-
masse [kg]
IIlV, f
Achslast vorne bzw. hinten [kg]
IIlV,r
IIIU,f
ungcfcdcrt c Massen vorne bzw. hinten [kg].
IIl U,r
II/U,f = Radm assen vo rne {Radträgcr vo rn e. Reifen.
Räder, Bremsen) plus der halben Masse von Verbin-
dungsteilen zwischen Vorderädern und Wagena ufb au
(Lenker. Federn. Dämpfer•... )
330 I
6 Stabilis atoren
Diejeweiligen Größen für die Hinterachse ergeben sich analog durch Einsetzen dcr cntsprc-
ehenden Werte für die Hinterachse (Ind ex r statt f) . Daher sind nachstehend immer nur die
Gleichu ngen für die Vorderachse a ngeführt. Die nachfolgende Berechn ung bezieht sich auf
ei ne Q uerbeschleun igung uy von I g ('" 9.8Im/i>2).
Anteil der Radk raftänderung durch ur igefedert e Massen vorne bzw. hinten:
H
<lFuJ = mUJ .g
. hU.r/br
<lF u.r Anteil der Radkraftänderu ng vorne durch
urigefederte Massen [N]
/tU.f
Lage des Schwerpunktes der ungcfc-
dcrtcn Massen vorne [m]
hf
Spurweite vorne [m]
Anteil der Radkraftänderu ng durch Querbeschleunig ung der Aufb aumassen vorne bzw,
hinten. die sich in den Rollzentren abstützen:
<lFllo.f = "'Bo.f
.g
. hRo.f/bf
fJ.F no.r Anteil der Radk raftänderung vorne dureh
Aufb aumasse vorne [N]
hR" .!"
Höhe des Rollzentru ms vorne [m]
Anteil der Radkraftänderung durch Wanken des Aufbaus um die Rollachse durch die Quer-
beschleunigu ng:
bm.Bo =«br -bf )' !Pm) +bf
"H o = ("Bo.r
-
"B o.f)· !P m wnuo.r
<lF RO
Verhältnis der auf die Hinterachse
wirkenden Aufb aumasse zur gesamten
Aufbaumasse [- ]
mit tlere Spurweite unter dem Aufb au-
schwcrpunkt [m]
mittlere Rollzentrumshöhe unter dem
Aufb auschwerpunkt [m]
Höhe des Aufb auschwer punkt s [m]
Höhe des Schwerpunkts des Aufbauan -
teils über der Vorderachse bzw. über der
Hinter achse [m]
Hebelarm des Aufb aus um Rollachse [m]
Anteil der Radkraftänderu ng durch Rol-
len der Aufb aumasse [N]
Gesamte Radkraftänderung durch Qucrbcschlcunigung:
fJ.F ... .. ....z gesa mte Radkr aftänd e-
rung [N]
H Fahrwerk
Zur überschlägigen Kontrolle der Radkraftänd eru ng kann das .,starre" G esamtfahrzeug
herangezogen werden:
hv
hv
f'..Fwz=fIIVt'uy' -
'"
.
bm
Gesamtmass e des Fahrzeugs inkl . Fahrer [kg]
Querb eschleunigung.
hier: a - > 9,8lm/s2
Höhe des Gesamtschwerpunktes de s Fahrzeugs
lml
hrn mittlere Spurweite unter Gesa mtschwer punkt [m]
Wankwiderstand des Aufbau s du rch die Aufbaufeder ung.
c.
-
"sp.r
' b1 ._n_
Ro,Sp.f
-
2(I
)2 f nsoo
. sr sSp.f
'r
auf d ie Vorderachse bezogene Wankstei -
figkeit der Aufba ufederu ng vorne [Nm/ O]
Rate der Aufbaufeder vorne [N/m}
Eindrückung der Aufbaufede r vorne bei
Rad hub weg .Ir [m]
Radh ubweg vorne [m]
Für die Berechnung der Stabilisatorsteifigkeit werden die im Bild H ~99 angegebenen G rö -
ßen herangezogen. Die Wirkung des gezeigten Stabilisators setzt sich aus drei in Serie
geschalteten Fed ern z usammen, nämlich der Torsion des Rücke ns und der Biegu ng der bei-
den Schenkel. Aus der Gesamtverformung und den angreife nden Kräften wird eine Feder-
rate fu r dcn Stabilisator ermittelt, gcmäß der Beziehung: Fede rrate < Gcsa mtkraft JGesa mt-
ver for mung.
._._.~._.__.~._.
b"
"•
.~
e
•
•
2
3
Bil d H-99 Stabneatorberechnu oq.
1 Sche nkel blade
2 Rücken bar
3 Lager bearing
6 Stabilis atoren
Flächenträgheitsmomente von Stabilisato rr ücken und -sc hcnkcl:
H
I _ 1t.(d~a.lI
-
d~a.i )
p.n a
-
32
Ip.Ra polare s Träg heitsmoment des Rückens [m4J
dRa.lI Außend urchmesserdes Rücke ns [m]
dBa.i Innendur chmesser des Rückens (wenn hohl)[m]
Im axi ales Trägheitsmoment des Schenkels [m4 )
hll1 Querschnitts- Breite des Schenkels [m]
hBI Querschnitts-Höhe des Schenkels [mI
Die Beanspruchu ng und insbeso nde re die Biegebean spruchung sind im Vergleich zu den
Aufb aufedern geringer. Aus diesem Grund sind auch die häufig anzutreffenden Lösungen
beim Pkw, da ss der Seitenarm des Stabilisators als ergänzende Längsstrebe des unteren
Lenkers bei de n Radau fh äng unge n mit Federbeinführung benutzt wird, vertretbar.
Die Verformungen der elastischen Stabilisatorteile folgen zu:
r", CI
ß Verdrehwinkel des Rückens [rad],
ß-=
'
'hJa
Wert inloJ'ßo ~ß ' 57,)"
G-/p.Ba
Fs Kräfte an den Schenkelenden [N]
CI
Hebelarm der Kraft Fs [m]
G
Schubmod ul des Rückenwerkstoffs [N/m2]
G = 80 . 1O'l N/m2bei Federstahl
'Ra
federnde Länge des Rückens [m]
Slla=a'ß
SRa Verschie bung der Schenkelende n durch Torsion des
Rücke n s [m]
SB!
Versch ieb u ng d er Sche nkele nde n durch Biegu ng
der Schenkel [rn]
'm federnde Länge des Schenkels [m]
E
E-M odu l des Schen kelwerkstoffs [N/m 2J
E = 206 . 1O'l N/m2bei Federstahl
Daraus ergibt sich die Gesamtverfor mung des Stabilisators zu:
vt
Gesamtverschiebung der Schenkelende n (m]
Die Federkonstanten für die Stabilisatorteile folgen damit zu :
ir;
E '/ll1
eBI =--=3--
'~BI '~I
lincarisicrtc Fede rrate einer Drehstabfeder bezogen
auf den Endpunkt eines Hebels mitder Länge CI
IN/rn]
CRI lincarisicrtc Federrate de r Schenkel bezogen auf die
Anlenkpunkte de r Kräfte Fs [N/m]
H Fahrwerk
Die Federrate für den gesamt en Stabilisator folgt daraus zu:
gesamte, linca risicrtc Fede r rate eines Sta -
bilisators nach Bild H-99 bezogen aufdie
beide n Artlenkpunkte der Kräfte Fs [Nzm]
Wank wider stand des Aufba us durch Stabilisatoren;
cxe.s.r
auf die Vorderachse bezogene Wankstcifig-
kcit des Stabilisato rs vorne [Nm/ "]
<s.r
lincarisicrtc Feder rate des vordere n Stabi-
lisators bezogen aufseinen Hebelendpunkt
IN/mi
,\'s ,(
Weg des Stabilis ato rhebele ndes (ist Gele nk
Tl in Bild H-95) der Vorderachse bei Hub-
weg des Vorderrads sr [m]
Gesamter Wank wid erstand des Aufba us durch Aufba ufede rung und Stabilisatoren;
a»
_
CRllJ
c.Ro.f
-
+
cRo,f <R o.r
tPc. Ro.r = 1-/Pe,Ro. f
CR o.f
gesamter Wankwide rstand der Vorderachse
[Nm!"]
<Pe.Ro.f Verhältnis der Wanksteifigkeit der Vorder-
ac hse zur ges amten Wankste ifigke it l-]
<pe.Ro.r Ve rhä ltnis der Wank ste ifig ke it der Hinte r-
ac hse zur gesa mten Wankste ifigke it l-]
Dynamische Radlast verlagerung der entscheide nden kur venäußeren Räder:
M'w.z.f.o = L\FRll •dle.Ro•f + ~Flltl.f + L\Fu.f L\Fw.z
.
r.o Radkraftänderung des vorderen
kurvenäußeren Rads [N]
Längsverlageru ng der Radlasten von einer Achse zur anderen bei Kurven fah rt.
IIIV.f
M'W.Z.f = L\F"./.Z,f.o - ~Fw.z
._-
IIIV.1
L\Fw.z
.
r Radkraftänder u ng an de r Vor-
derachse (N]
III v.1
Gesamtm asse des Fahrzeugs
inkl. Fahrer [kg)
1II~.1 = II1Y.r + lIIy.r' mit: lI1y.r bzw.
IIIY.r Achslast vorne bzw, hinten
Ikgl
Resulti er ende Rad au fsta nd sk räft e du rch Radla st verlagerung :
/IIV f
Fw-'~ =-'-'g+~Fwz'
.......o
2
. .,'.0
IIlV.f
Fw/[=--'g- "Fz'''f
••••1
2
.. .... .0
Fw.z.t:o resultierend e Radaufsta ndskraft am vorde-
ren kurvenäußeren Rad [N]
FW .Z
•
f.i resultierende Radaufstand skraft am vorde-
ren kur veninneren Rad [N]
3341
§II
Bo' . meo,f·a,
._! l=-
I,
b,
Wank winkel des Aufba us, Bild H-100 :
•
A
f-ll-+ L.: S1 • f
//
6 Stabilis atoren
Bild H-100
Zur Definition des Wankw inkels
roll angle 'P.
Ansicht eines Fahrzeugs von
vorne in einer Rechtsku rve.
Oie Reifenseile nkräfte beschleu-
n igen als Aktionskräfte den Wa-
gen nach rechts und rufen so
die Reaktionskraft mBo.f . ay des
trägen Wagenkastens herv or. de r
um das Rollzentrum Ro w ankt.
H
Lls, f +"'2f
m ~ 573'·'
.
.,.,.
,
h
f
Wankwinkel des Aufbaus [0]
Radhub weg des kur venäu ßeren Vorder rads
beim Einfede rn durch Wanken [m]
öS lJ
Radhubweg des kurveninneren Vorderrads
bei m Aus fede rn durch Wanken [rn]
6.2 Gestaltung von Stabilisatoren Design of anti roll bars
Stabilisatoren sind eine zusätzliche Feder im System der Radaufhä ngung, die die Räder
einer Achse verbindet. Die Federwirkung wird im Allgemeinen über Torsion und Biegung
erz ielt. Deme ntsprechend finden sich U-för m ige und T-för m ige Stabilisatoren im Einsatz.
Bei hoher Wanksteife werden aber auch Tellerfederpakete zur Reduzierung des Wankwin -
kels ei ngesetz t, Bild H-102.
U-förmige Stabi lisatoren. Je näher der Stabilisator am Rad angreift . desto klei ner sind die
Kräfte und er kann leichter ausgeführt werden. Von diesem Prinzip kann mit U-förmigen
Stabilisatoren Geb rauch gemacht werden. Diese finden sich vor allem an Serienfahrze ugen
und an älteren Rennfahrzeugen. Sie bestehen meist aus einem Stuck Rohr- oder Stangcnma-
tcrial. an dessen Enden Koppclstangen zu den radseitigert Auf nahmen führen. Bei eintei-
liger Ausführung müssen die Stabilisatorlager für die Montage teilbar sein.
Die Abmess ungen der Stange bzw. des Rohrs hängen natü rlich von den Hebel verhält-
nissen und Radlasten ab, für einen groben Vergleich kann jedoch folgender Wertebereich
dienen. Bei Einsitzern weisen die Stabilisatorrücken einen Außendurchmesser ab 10 mm
auf, bei schweren Tourenwage n ist dieser kaum größer als 25 bis 30 m m. Die G elenkköpfe
für di e A nschlüsse überschreiten die Größe mit Mg-G ewind e nicht.
Ausfü hrung Welle mit Hebel. Diese Ausführung bietet die Möglichkeit die Hebel außen zu
lagern . So kön nen Wellen unterschied lichen Durchmessers ohn e weitere Ände rungen verbaut
werden und dami t leicht unter schied liche Stcifigkeite n des Sta bilisato rs realis ier t werden.
1335
HFahrwerk
a
c
Bild H-101 Arten von Stabilisatoren.
a U-för mig. aus einem Stück gebogen
b T-förmig
c Tellerfedern bei Monodäm pferanordnung
d U-fönnig, mehrteilig (Welle mit Hebeln)
b
d
•
•
Stab ilisator fü r vtonofedersyste m. Solche Syste me finden sich an Hint er- oder Vorde rac h-
sen. Aufbau und Funktion zeigt Bild " ·102.
Das Einzc1fedcrb ci n wird über den Umle nkhebel (I ) betätigt. Dieser ist auf der Achse (5)
so gelagert, dass er sich drehen (= Federn) und entlang der Achse verschieben ka nn (= Wan-
ken). Die Hebellagerung (2) weist dazu neben den beiden Radiallagern (6) auch Axiallagcr
(7) auf. Gegen diese stützen sich Tellerfederpakete ab. die mit Widerlagern (4) vorgespann t
werden. Zwei Schaulöcher (9) ermöglichen eine symmetrische Einstellu ng. Bei einer Wank-
beweg ung wird der Hebel (1) durch einen Druckstab (3) längs der Achse (5) verschoben.
Erfolgt diese Bewegu ng z. B. nac h links, drückt das rechte Widerlager (4. Detail X) die Tel-
lerfedern gege n das Ax iallager (7). Die Einstellung de r Stabilisatorwirkung erfolgt durch
unterschiedliche Anordnung der Tellerfede rn. Werden sie O-förmig eingebaut « ><» , wir-
ken sie am weichsten. w erden sie gleichsinnig angeordnet « « <), sind sie am steifsten.
Dazwischen bieten sich Kombinationen und verschiedene Anzahlen an: <vs>>'>, «»« ,
<>«»:«; <>< , ...
T-förmi~e Stabilisatore n. Diese werde n eingesetzt, wenn der Absta nd zw ischen den Hebel n
zu kurz für einen " herkömmlichen" Stabilisatorrücken wird. Der auf Torsion beanspruchte
Teil de s Stabilisato rs wird dann nahez u senk recht angeord net. Bei diesem Stabilisator bie-
tet sich noch eine d ritte Fede r an, die nur beim gleichse itigen Fede rn wirksam wird. Diese
Variante wird für Fahrzeuge mit großer Dynamik und aerodynamischen Abtrieb bevorzugt,
Bild " -103.
6 Stabilisatoren
vl ,>;"- - -'
a
Detail X
H
Bild H-l02 Stabilisator für Mono/ader.
1 Umlenkhebel
4 Wider lager
2 Hebellager ung
5 Hebela chse. 2-teilig
3 Druckstab
6 Radiallager
e
a
oFahrtr ichtu ng
7 Axia llager
8 Tellerlederpaket
9 Schauloch
10 Kontermutt er
Bild H·10 3
Dre ifede r-Radaufhän-
gung.
Das Bild zeigt eine Hin-
terraoauthänqunq.
1 Zusatz/ader (drit te
Feder)
2 T-Stabilisator
3 Stabilisatorlager
Beim wechse lseitigen Federn wi rd de r Stabilisator (2) tordiert. Die Lage r (3) sind entsprechend weit aus-
einande r angebracht, damit sie das Drehmoment als k leine Kräf te in das Chass is einleiten. Beim g leich-
seitigen Federn bzw. be i höher Fahrgeschwind ig keit (Abtrieb) w irkt d ie dr itte Fede r (1) z usätzucn z u den
beiden A ufbaufedern. Der Stabil isator schwingt dabei um d ie Achse der Lager (3),
H Fahrwerk
Vom Fahrerplatz aus verstellbare Slabilisatore n cackpit-adjustable anti roll bar. Eine
Möglichkeit, die Steifigkeit des Stabilisato rs ohne Zcrlcg ungsarbcitcn zu ände rn, bietet ein
mehrteiliger Aufb au. Wird ci n oder bcidc Hebel drehbar gelagert so lässt sich das Wider-
standsmomcnt eines schwcrtförmigcn Hebels durch Drehen variieren. Bild 11-104 zeigt ein
Beispiel ei ner solchen Heb ellage rung. die Wirkungsweise ist in Bild 11 -105 illustrie rt. Die
Verstellung erfolgt entwed er über eine n Zug-Drück-Seilzug, ein Gestänge ode r über Hydrau-
liksystcmc.
Bild H-104
Verstellbare r Stab ilisator, A ufbau.
1 Schenkel lever arm
2 Laqerbock. zweiteilig mount, two-piece
3 Lagerscha le, zweiteilig bearing stlell, »o-oece
4 Sta b ilisator rücken slabiliser bar
5 Stelllasche adjusting pla le
1
~
3
4
I
I
I
1 Stelllasche
2 Sche nkel
3 Rü cken
~.
Bild H -10 5 Verstellb are r Stabilisator, Funk tion.
Die Kraf t FRd der Strebe b iegt den scbwe rt tösmrqen Hebel. Dieser Hebel k an n gegen über der Kraft ver-
d reht werden. Die beiden Ext remste ilungen weich (soft) und ste if (stiff) sind in G rund- und Auf riss einge-
ze ich net. Zw ischen den End lagen ergeben sich Steitiq keiten , die innerhalb der Extremwerte lieg en .
3381
6 Stabilisa toren
H
Nat ürlich bedeutet dies e Ve rstell mög lichkeit e ine weitere Belastu ng de s Fahrers , wenn sie
im Rennen während der Fahrt ausgenutzt werden soll. Es gibt daher auch Teams, die auf
eine solche direkte Verstellmöglichkeit des Stabilisators verzichten und ihre Fahrer .,seho-
nc n'' - g ibt es doc h be reits über 15 Vers tellknöpfe im Cockpit (siehe au ch Abschnitt D4
Lenk rad, insbeso nde re Bild D-22). Ein mög licher weiterer Nachtei l kan n sich unange neh m
bemerkbar machen. In der Zwischenst ellung zwi schen steif und weich ka nn da s Schwert
kippen, d.h. es weicht unter der Last seitlich aus. Dies ist eine instabile v ersagensform. wie
das Beulen von Schalen oder das Knicken von Druckstäben. Sie tritt also plötzlich ohne
merkbare Vorankündigung auf. Der Stabilisator wird in dem Fall während der Kur ven-
fahrt schlagartig weicher. Besonders una ngenehm tritt diese auch "Roll Rock" genannte
Erschein ung zu Tage, wenn bcidc Hebel in de r sclbcn Zwischenstellung stehen und somit
gleichze itig versagen.
Werkstoff. Aus einem Stück gebogene U-förmige Stabilisatoren bestehen aus Vergütungs-
stahl, z. B. na htlos gezogenes Rohr aus 25CrMo4 (DIN EN IOOX3).
In Bild " -106 werden Rohr- und Stangenmaterial als Stabilis atorrücken. also als reine
Dreh feder. gegenübergestellt. Die reine Drehfederr ate folgt aus obigen Gleichungen z u c ~" =
G . Ip,ll a /(57,3IBa) . Benötigt man einen Rücken mit 200 Nm/", so kann man eine Stange mit
19,5 mm Dur chme sse r verb auen , die ei ne Masse von 234 g a ufweist. Dieselbe Ste ifigkeit
hat ein Rohr mit 24,5 mm Auße ndurchmesser und 1,5 mm Wandstärke bei nur X5 g Masse.
Wählt man ein Rohr mit 2,5 mm Dicke, so muss es 21,X mm Durchmesser haben und bringt
119g aufdie Waage.
Dur chmes ser d.... I mmj
1000
---- ------ ------ --i----
.1...._
1.... _
.1. .
_
_
i
....1...._
400
600
800
Drehfederrate c' [ Nm " 1
200
... .............. 1. .. .-
o -------------- ---0----
L
i.l
.
! ......... ..•!
i
-
-
···············1····
..:
,
:0±---:-ic:---+:--~--+--:-8-
500 300 100 0
Uasse 19j
Bil d H·1 06 Vergleich von Drehfed ern aus Stahl.
Es sind drei versc hi ed ene Ausführung en von St abil isatorrücken da rg estellt m it einer Länge von 'Ba -
100 mm. nämlich 2 Rohre m it Wand stärken von 1.5 und 2.5 mm und eine mass ive Welle.
Lagerung mount. Stabilisatoren werden direkt in einem Aluminium-Block gelagert oder
ein e wa rt ungs freie Gleitbuchse (Troc kengle itlage r mit PT FE-Gleitschicht) mit A nlau tbund
wird zusätzlich inden Lagerbock eingepresst. Gummilager finden nur bei Serienfahrzeugen
Verwendung. Die Lageru ng soll möglichst reibungsar m die nötige Drehbewegung ermög-
lichen. Sind die Lager zu sehr vorgespannt, spricht die Aufbau feder ung wegen der Koppel-
wirkung des Stabilisators beim Befahren von welligen Strecken schlecht an und der Wagen
" kopiert" den Fahrbahnverlauf
H Fahrwerk
b
Bil d H-107
Lagerungen von Stabilisatoren.
a zweiteiliger Lagerbock mit Bund -
lagersch alen
b einteiliger Lagerbock mit einge-
p resstem Trockengleitlager
Die Lagerblöcke sind einteilig, wenn sie an den Stabilisato renden angeb racht werden kön-
nen. Befinden sich die Lagerstellen innerhalb der beiden Hebel, müssen die Blöcke natürlich
geteilt ausgefü hrt werde n.
6.3 Beispiele von Stabilisatoren Examp les of anti roll bars
Nachfolgend sollen einige Beispiele au sgeführter Stabilisatoren vor Augen führen wie
unterschiedlich das Problem der verstellbaren Radlastverlageru ng gelöst werden kann.
200
~N
S's
r-+ -' -'-
-
Det ail Z
A
-~
Bil d H·10 8 Stab ilisator an der Vorderachse eines Formel -BMW-Fahrzeugs.
Der Stab ilisator ist außen mit dem Lenkgetriebe gelagert und w ird übe r Schubstreben vom Umlenkhebel
über das U-förmige Profil beaufsch lagt. Die Elastizität ist praktisch nu r auf den Rohrabschnitt beschränk t
Mehrere Boh rungen im Ll-Prctil ermög lichen eine Feinabstimmung bei unverändertem Rohrcu-chmes-
,oe
Bild H-10 9
U-fö rmiger Stabi lisator an einem älteren
Formelwagen (Lola T-328 SV. links vorne).
Der Stab ilisator wird durch Verschieben
de r Befestigungsschelle de r Koppelstan-
ge eingestellt.
Bild H·111
Verstellbarer hinterer Stabi lisator eines Indy Cars
(Toyota RV8B).
Der gezeigte Ab sch nitt des Stabilisa tors ist der
Schenkel. der auf Bieg ung beansprucht wird .
Durch Drehen um die Längsachse lässt scn das
maßgebende Wide rstandsmoment und dam it das
Verhalten des Stabil isators ändern.
1 Stabil isatorrücken
2 Stabil isatorhebel rech ts
3 Schubstange zum Verdrehen des Schenkels
vom Fahrerplatz aus
4 Koppelstange zum Stabilisatorschenkellinks
5 Koppelslange z um Umlenkhebel zwischen
Schubstrebe und Federbein
6 Stabilisatoren
Bild H -110
Wankstab ilisator vorne (Formel 3000
Zytec). Fahrtrichtung nach fioks.
Der Stabilisator (1) ist auf ext reme Roll-
steifigkeit ausge richtet und funktionier t
ähn lich jenem von Bild H -102. Die Ver"
steilung erfolgt übe r unterschied liche
Federn (2) und verschiedene Artlenk-
punkte (3) der Umlenkhebel. An den
Federbe inen sind Wegaufnehmer (4) zur
Erfassung des Federwegs angebracht.
Bild H·11 2
Hintere r Stab ilisator an einem Porrnel-Pord .
Bei diesem Stabilisator wir kt praktisch nur d ie Bie-
gung de r beiden Hebel elastisch. Die To rsion des
RÜC kens kommt nicht zum Tragen. Die Verstellung
erfolgt durch Ändern der w irksamen Hebeüänqe,
indem eine oder beoe Verbindungsmuffen (1) nach
oben ode r unten geschoben werden. In der gezeig-
ten Ano rdnung ist der Stab ilisator am wercnsten.
H
H Fahrwerk
7 Bauformen von Achsen Typ es of susp ensions
Je nach Anforderung bzw, Reglement habe n sich verschiedene Bauarten etabliert. Bei Pkw
ist neben Komfort wichtig, dass der (im Allgemeinen vorne untergebrachte) Motor Platz
findet u nd die Vorderräde r genügend Einschlag au fweise n. Die Hinte rachse soll für große
Kofferrä ume und einfache Kraftstofftankfor mcn möglichst flach sein. Die Bilder H-113 und
" -114 zeigen Baufor men, die d iese Forderu ngen erfüllen und deshalb weit verbreitet sind.
Diese Bauformen unterscheiden sich neb en ihre n technischen Eigenschaften auch nach
wirt schaftlichen Ge sichtspu nkte n. Deshalb gibt es Bauarten, die nur bei anspruchsvolleren
Fah rzeugen zu m Einsatz kommen. Tabell e H-13 bietet eine Übersicht über Kombinat ionen
von Achsen, wie sie de rzeit am Markt zu finden sind.
a
b
.---
Bild H·11 3
Pkw -Vorde rac hsen
car front axes.
a McPherson -Achse
McPherson axle
b Mehr lenke rachse
multilink suspens ion ,
weist max . 4 Lenker auf
a
b
--- -
Bild H-114
Pkw -H intera chsen car rear axle.
a Verbundlenkerachse twist beam ax/e
b McPherson-Achse McPherson eae
c Meh rle nk era ch se mult i/ink suspension, weis t
ma x. 5 Lenker auf
....
7 Bauform en von Achsen
H
Tab . H -13 Gesamtfah rwerke von Pkw. na ch [H3].
K lasse
Antrieb
Vorderachse Hinterachse Bemerkung
Fron t
McPnerson
Verb undlenke r
Kompakt -
Mehrlenker
klasse
A llrad
McPherson
McPherson
McPherson
Fron t
Verbundlenke r
Mehrlenker
schwimmender Hilfs rahmen vorne
Mittel-
McPherson
Mehrlenker
klasse
A llrad
Mehrlenker
McPherson
schwimmende r Hilf sr ah m en v orne
Mehrlenker
Heck
McPherson
McPherson
schwimmende r HilIs rahmen hinten
Mcc terson
schwimmende r HilIs rahmen h inten
Fro nt
Mehrlenker
obe re
Mehrlenker
schwimmende r Hilfs rahmen vorne
Mittel -
klasse
Mehrlenker
Hec k
Mcc terson
McPherson
schwimmende r Hätsrahrnen h inten
Front
Mehrlenk er
Mehrlenker
schwimmende r HilIs rahme n vorne
Oberklasse
McPherson
schwimmende r Hilfs rahmen h inten
Hec k
Mehrlenker
Mehrlenk er
Bei Rennfa hrze ugen hat sich die Doppelque rlen ke ra chse für vorne u nd für h inten durchge-
setzt . Sie weist die größten Freiheiten bei der Ausleg ung für den Konstr ukteur. aber auch
nachträglich beim Sctup für den Renningenieur auf. Die bewegten Massen lassen sich auch
bei großen Spurweiten ger ing halten. Außerdem ist diese Baufor m für anget riebene wie
nicht angetriebene Achsen einserzba r.
7.1 Doppelquerl enkerach se Double wishbone susp ension
Die Doppelquerlenkeraufhängung ist vor allem bei For-
melfah rzeugen und Produk tionssportwagen die domi -
nierende Bauart, man findet sie abe r auch bei allen
anderen Rennfahrzeugen wie Tourenwagen oder Raid-
Fa hr ze uge n. Sie gesta tte t gro ße Varia bilität im Verlauf
der wichtigsten die Rads tellung definierenden geo me-
trischen G rößen und komm t dem Ideal nahe. entfernt ste-
hend e Räder (der G umm ireife n vermag nur relativ kleine
Kräfte zu erzeugen) mit eine m kompakten Rumpfmög lichs t ma sselos zu verbinden . Dabei
können ange triebe ne und nicht angetriebene Achsen dargest ellt werden und die Bre mse
HFahrwerk
5
6
Bil d H-115 Teile einer Dcppelquenenkerachse.
Dargestellt ist die Au fhäng ung eines Rads.
1 Feder/Dämpferbein cou-over spring damper und
2 Umlenkhebel rocker
3 oberer Que rlenke r upper wishbone
4 Druckstab ousn rod
5 Stab ilisator anti roll bar
4
6 Verbindun gsstrebe /inkage
7 unterer Querlenker lower wishbone
6 Spurstange re rod
9 Radträ ger upright
kann radscitig oder fah rzcugrumpfscitig angebracht werden. Ihr bauartbed ingter Nachteil,
nämlich viel Platz zu bea nspruchen, kommt bei Rennfahrzeugen nicht zu m Tragen. Bei
Serienfahrzeuge n. wo Passagiere und Kofferra um untergebracht werden müssen, sieht die
Beurteilung anders aus.
Im prinzipiellen Aufbau unterscheidet nur die Lenkung (d. h . Spursta nge seitlich beweg-
lich) die Vorder- von der Hinterac hse, Bild "- 115. Das Bild zeigt die derzeit übliche Auf-
hängu ng ei nes Rads, di e grundsätzlich link s ode r rechts sowie vorne oder hinten verba ut
werden kann. Der Radträger (9) wird über zwei Querlenker (3) und (7) und eine Spursta nge
(8) mitdem Wagenkasten verbunden. Die Spurstange kann an ein Lenkget riebe angeschlos-
sen werde n und somit kann die Achse gelenkt werden. Soll die Achse angetrieben werden,
muss noch eine Gele nkwelle vom Achsgetriebe zu r Radnabe geführt werden. Die Vertikal-
kräfte vom Reifen kommend werden überde n Druckstab (4) überden Umlenkhebel (2) über
die Feder (I) in den Rahmen eingeleitet. Ein Stabilisator (5) verbindet bcidc Räder einer
Achse elastisch über deren Umlenkhebel.
Ausgehend von der prinzipiellen Bauform mit zwei Dreiecksqu erlen kern des Bilds H-11 5
gibt es zahlreiche Variation um die Radlast we iterz uleiten und um den Stabilisator einzu-
binden .
Der Wirkabstand c der beide n Lenker (Bild "-116) sollte so groß wie möglich sein,
um kleine Kräfte in Aufbau- und Lenkerlage rungen zu bekom men. Dadurch bleiben auch
3441
7 Bauform en von Achsen
H
FIw.x
""
Bild H·'1 6 Kräft e in den Gelenksp unkte n b ei Umfang sk räften.
Wirkung einer Brem s -Umfangsk raft Fw,x auf die Kräfte in de n Gel enken E und G am Radträge r.
Der Lenk rollradiu s r" ist p ositiv,
,
a+h
FE.X
= Fw.x
._
-
e
e
FW.X = Fa.x
-
FI:.X
resultierend e Verfor mungen in den Bauteilen klein und Spiele in den Gele nken wirken sich
für das Rad weniger stark aus. Von diesem Ideal wird bei manchen Fahrzeugen sta rk abge-
wichen um die Luftst römung nicht negativ zu beeinflussen. Die Wirku ng der Aerody namik
ist bei ihne n also vorrang ig gegenüber diesen Festigkeitsüberlegu ngen.
Einige prinzipielle Betrachtungen zeigen. dass der untere Qu erlenker stä rker belastet ist.
Eine Umfa ngskraft Fw.x
, z. B. eine Bremskraft, muss von den beiden Gelenken E und G am
Radträger ins Gleichgewicht gesetzt we rde n, Bild H-116. Diese Brem skra ft greift mit dem
Hebelarm "b an der Lenkachse EG an. Damit die Größen der Gc1enkskräftc FE.Xund Fo.x
bestimmt werde n können, muss Fw.x senkrecht auf die Lenkachse verschoben werden (gilt
für den gängigen Fall der im Rad liegenden Bremse) . Dadu rch kommt diese als F'w. x unter
der Fahrbah n z u liegen. ln der Seitenansicht ergibt sich der Verschiebeweg a zu:
a = rb ' sin (J = +ro cos (J' sln (J. Ist der Lenkrollradius tonegativ, liegt F'w.x über der
Fah rbahn. Aus der Seitenansicht folgen die Kräfte zu:
,
a+h+c
FG.x
= Fw.x
. "-'-"-.'-'-
Für kleine Reaktionskräfte in den Gele nken E und G sollen demnach (a + h) klein und c
möglichst groß sein.
Ein negativer Lenkro llradius hat diesbezüglich also Vorteile, weil die Länge a hier nega-
tiv ist.
Eine prinzipielle Betrachtung des Seitenkrafteinflusses zeigt, dass auch hier dcr untere
Querlenker diegrößeren Kräfte überträgt und der Wirkabstand c groß sein soll, Bild H-I 17.
Der Fahrbah nabsta nd h des unteren Gelenks G wiederu m soll möglichst klein sein. Für den
Fall hori zo nt al liege nde r Lenker gilt:
He
Fw.y =Fa- FE
Fa=FWY'-
-
FE = Fw.y·
.
e
H Fahrwerk
r''''",
F,"
I:
iFG
:'
~-_.-- '
E
•
-
1
01
~---4' - 1
'G
1"'I
Fw,Y
Bild H-117
Kräf te in den Gelenkspunkten bei Seitenk rätten
Es wi rd nu r de r Einfl uss der Seitenk räfte bet rach-
tet. Eine Kurvense ilen kraft FW, Y ru ft in den Que r-
lenk ern Reakt ions kräfte FE und FG hervo r, welche
d ie Wankneigung des Wagenkastens nachteilig
unterstützen. Die Kraft im un teren Querlenke r ist
am größten ,
Die Lenkerlängen sollten ebe nfalls groß gehalten werden. Dadurch bleiben beim Ein- und
Ausfedern die Winkclausschlägc klein und somit die Änderu ngen in der Radstcllungsgco-
mctric ebenso. Ein Nachteil, der hierbei nicht vergesse n werden darf, ist die größere Knick-
empfindlichkeit bei länge ren , sc hlanke n Q ue rlenkern .
Ein Dreieckslenker kann vereinfacht als zwe i Stäbe betrachtet werden, die nur Zug/
Druckk räfte übertragen, was im Sinne des Leichtbaus ja ideal ist. Tatsächlich sind die Ver-
hältni sse im Allgemeinen komplexer, weil die Lenkerarme zumindest radträgerscitig starr
mitei nander verbunden sind und diese Stelle somit auch Momente übertrage n ka nn. Nun
müssen die Querlenker unterschiedlich große Längs- und Querkräfte aufnehmen können.
c
Bild H·1 18
Querlenkerauslegung nach Kräften.
Es w ird eine Querlenkerebene a uf der lin-
ken Fahrze ugse ite bet rachtet. Es ha ndelt
sich um eine Vorde rachse, d ie B remskräfte
dominiere n also bei den Länqs krät ten. Bei
der Betrachtung der Kräfte in den Lenker-
a rmen werden 3 Fälle einzeln betrachtet.
Fall 1:Auf das Gelenk E wirkt nur der AnteilFE,x.bder Bremskraft. Der Arm EF nimmt eine größere Kraft FF
auf als der Arm EC (Fd. dessen Winkel ß1 kleiner ist. Beim Arm EF tritt auch eine Druckkraft auf. beim Arm
EC eine Z ug kraf t. Aus dem Kräf ted reieck erken nt man: Soll die Kraft FF kleiner werden , muss entweder
de r W inkel ßt größer werden (strichl iert eingetra gen), ode r d er Winke l ß, wi rd größer gewählt. Bei d iesen
Maßnahmen wü rde auch Fe kleiner werden, d. h . die Änderungen wären aus dieser Sicht günstig,
Fall 2: Auf das Gelenk E wirkt nur die Seitenkratt FE.y allein.
Fall 3: Auf das Gelenk E wir ken Brems- und Seitenkräfte als Resultie rende FEl S1' In dem Beispie l werden
dab ei die Max im alkr äfte in Längs - und Querrichtu ng gle ich zeitig w irkend bet rachtet, was in Wir klichkeit
wegen der Reifen ch arak teristik n icht mögl ich ist, d . h . tatsä chlich sind die ko mb in ier t en Kräft e kleiner.
7 Bauform en von Achsen
Für die Auslegung bedeutend sind zunächst die größten und häufigsten Kräfte. An einer
nicht anget riebenen Vorderachse tret en vorneh mlich groß e Läng skräft e entgegen der Fah rt-
richtung beim Brem sen auf und beim Kurvenfahren hohe Querkräfte am kurvenäußere n
Rad. also zum Wagen gerichtet. An einer angetriebenen Hinterachse sind die Antriebskräf-
te und die Querkräfte zum Rumpf hin bedeutend. Damit sämtliche vom Reifen stammende
Kräfte von den beiden Armen einer Querlenkerebene aufgenommen werden können. wird
also ein Kompromiss notwendig sein. bei dem der Winkel der Lenker zu den Kräften und
Parameter, w ie resultierende Kraft, Länge des Lenkers (Masse. Knickung. Kinematik) und
Bauraum ei nfließen müssen. Bild 11 -118.
An der gelenkten Vorderachse kommt noch eine besch ränkende Überleg ung hin zu. näm-
lich der ma ximale Einschlag der Räder. Bild 11 -119.
-~
Bild H · 119 Qu erlenkerau slegung nach größtem Lenkeinsch lag.
Bei d em Qu erlenk er mit der größeren Pfeilung , d as wird me ist der unte re sein, darf es beim m aximalen
Einschl agw inkel oma~ de r Vorderräder zu kein er Berührung der Felge ode r des Reifens mit einem Qu er-
lenkerarm kommen. Im Gegen teil: Es m uss sogar etwas Platz vorhanden sein. dam it es auch du rch d ie
Wir kung von Elastintäten in der Lenk ung und dyna misches Reifenwac hstu m nicht zum Be rühren kom -
men kan n. Dadu rch wird entwede r der ma ximale Lenkw inkel eingeschränkt oder, falls d ieser vorgegeben
ist, müssen die Qu erlenk er entspr echend gestalt et we rd en. Eine weitere Möglichkeit bietet das Verschie -
ben der Radträger-A nlenku ng zur Radmitte hin, w odu rch d er bet reffende Felgenbere ich weiter wird.
Varia tion smöglichk eiten opüons 0/ vartations. Ausgehend von der Gr undan ordnung
paralleler, gleichlanger Lenker lassen sich drei gr undlegende Variationen mit unterschied-
lichem Fahr verhalten ableiten, Bild H-120.
H
HFahrwerk
,-
o
a paralle le, gleichlang e Lenker
b paralle le, ungleich lange len-
k"
c nicht parallele, ungl eichlang e
Lenker
Bild H-120
Prin zip ielle Gestaltungsmöglich-
keil en vo n Doooerouer jenker-
achsen.
Der unter e Lenke r ist bei allen
Varian ten zu Ver gleich s zw ecken
in Konstruktions lage parallel
zur Fahrbahn. Die A chsen sind
in Konst r uktionslag e (Volllinien)
sowie einpeteuert und gerollt
(strichlie rt) dargestel lt.
In Konstr uküo nslaq e haben alle
Räder zu Verg leichszwe cken
St urzwinkel 0°.
s Radhu b
'fJ Wankwinkel des Rahmens
W Rada ufstandsp unkt
Ab Änderung der Spurweite
sc Änderung des Stu rzw inkels
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Die Änderungen einiger für das Fahrverhalten wiehtiger Größen beim gleichseitigen Federn
und beim Rollen des Wagenkastens zeigt Bild H·1 21 für die drei grundsätzlichen Varianten
von Doppelq uer lenk eranonlnu ngen.
Paralle le, g leich la nge Le nk er p arallel links with equallengrh. Lenker und Radträ ger bil-
den ein Parallelog ramm . Der Qu er pol liegt im Unendlichen und das Rollzen trum exakt
auf de r Fahrbah n. Folglich ändert sich de r Sturzw inkel beim Federn überhaupt nicht. die
Spurweite variiert jedoch stark. Weil die Lenker in Konstruk tionslage horizontal liegen,
wird die Spurweite beim Ein- und Ausfedern kleiner. Gr ößere Lenkerlä ngen redu zieren
die Spurweitenänderu ng, können aber wegen prakti scher Einschränk ungen (Spur weite und
Fah rzeugbreite besch ränkt) diesen systembedingten Nachteil nur mindern.
348 1
7 Bauform en von Achsen
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Bild H·121 Kinem atik von dr ei Doppetq uerlenkera no rdmmqen nach B ild H -12Q.
Bezeichnungen de r G rößen und ihr er p ositiven Richt ung siehe B ild H -120. Wert 0 entspricht de r Kon -
str uktionslage. Eingetragene G rößen &und 1ib stehen auf der positiven Seite der Absz isse.
Beachte: & , ist die Anderung des Winke ls im Sinne des Maßpfeils . nicht der abso lute Wert. Ein negati-
ver Wert bedeutet also, dass sich de r Sturzwi nkel e ntgegen der Ma ßpfeilric htung ändert.
a Änderung von Spurweite und Sturzwinkel hervorgerufen d urch gleichseitiges Federn.
b Änderung des Sturzwinkels beim Rollen des Wagenkastens .
Beim Rollen des Aufbaus folge n die Räde r mit dem sclbcn Winkel. Das belastete {kur-
venäußere) Rad kann (je nach Stur zw inkel in Konstruktionslage) dadurch in ungünstigen
positiven Sturz übergehen.
Parall ele, un gtetcht an ge Lenk er parallel. unequal links. Wird der obere Lenker kürzer
ausgeführt als der unt ere, ändert sich das ki nematische Verhalten gegenüber obiger Au s-
gangsanordnung stark. Der Sturzwinkel ändert sich in günstiger Weise beim Ein- und Aus-
federn in Richtung negat iver Winkel. Du rch di ese Änderu ng der Winkelst ellung des Rads
wird auch die Spurweitenänderu ng günstig beeinflu sst. Diese wird stark red uziert und kann
bei geschickter Wahl de r Le nkerlä ngen sowie Gel enksan onlnungen brauchba r klein gehal-
ten werden. Wird der obere Lenker zu kurz gewählt, kommt er beim Einfedern in gest reckte
H Fahrwerk
Lage, was unbedingt zu vermeiden ist. Das muss besonders berü cksichtigt werden, wenn
große Federw ege angestrebt werden, z. B. für Geländeeinsatz .
Beim Rollen des Rahmen s bewe gt sich das belastete Rad in Richtung negat iven Sturz,
das entlastete Rad allerdings nachteiliger weise zu posit iven Sturzwerten h in.
Nicht parallele, ungleichla nge Le nker non parallel. unequal links. Werden die Lcn -
kcrlängcn und ihre Lage beliebig gewählt, können die Querpole in Konstruktionslage
beliebig platziert werden und dam it das kinematische Verhalten ausgew ählter Größen
gleichsam beliebig gestaltet werden. So lässt sich die Sturzände rung bei m Rollen gege n-
über der Anordnung mit parallelen Lenkern red uzieren. Die Spurwcitcnändc rung beim
Einfedern kann ebenfalls klein gehalten werden. Bei der gezeigten Ausführung, ände rt
sich allerdings die Spurweite beim Ausfedern stark.
Um die Sturzänderu ng beim Wanken ge ring zu halten bzw. in Richtung negativer Werte
beim kurvenäußeren Rad zu lenken, werde n ungleichlange und nicht parallele Querle nker
eingesetzt. Durch entsprechende Neigung der wagenseitigen Querlenk erdreh achse (in der
Seitenansicht) kann zusätz lich ein Bre ms- bzw. Beschleunigungsnickausgleich geschaffen
werde n.
Die kinematischen Auswirkungen geo metrischer Änderungen einer typischen Aufhän-
gung nach lJild H-122 beschreibt Ta belle H-14 . Im Einzelfall müssen die Auswirk ungen
von Änderu ngen zwa r selbstverständlich gcnaucr untersucht werden, die tendenziellen Aus-
wirkungen können aber als grobe Richtlinie für eine Opti mierung herangezogen werden.
Absenken des Gelenkpunkts C fiihrt so z. B. unter anderem zu einer großen Zunahme der
Rollzentr umshöhe, einer sehr großen Zunahme der Sturzwinkelände rung beim Federn und
einer großen Verri nger ung der Sturzw inkclsehwankung beim Wanken.
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Wanken
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Bild H-122
Bezeichnung der Gel enkspun kte einer Dcp-
perq uenenkerachse mit unpetcmanqen, nic ht
parallelen Lenkern für Tabelle H -14 .
Die Bilder 11-1 23 und 11 -124 zeigen beispielhaft die Auslegung einer vorde r- und ei ner
Hinterachse desselben Fahrzeugs.
350 I
H Fahrwerk
/
/
40.89
Spurweite 1471
Bild H-123
Fahrwerkauslegung Vorderachse (For m el Rena ult 2000).
Dargestellt ist das linke Vorde rrad . Diese Achse wird nicht ange trie-
ben. Die Radlast leitet ein Druckstab an die Monofede r weiter.
Spurweit e 1366
//
\7.29'
Bild H-124
Fahrwerkauslegung Hinterachse (Formel Renau lt 2000).
Dargestellt ist das linke Hinterrad. Die Achse wird üb er zwei Sei-
tenwe llen angetriebe n , D ie Dämpfer/Fede rbei ne we rden übe r den
Druckslab durch einen Um lenkheb el betät igt Der Radt räger ist oben
nur mittels eines Kugelgelenks mit dem Quer lenker verb unden. Un -
ten we ist der Radt räger zwe i Ve rb indungsstellen auf . Ei n Que rlenker
und e ine in Fahrtr icht ung hinten liegend e Sp urstange ne hm en Ho-
nzontaikratte a uf. Der Gru nd für d iese Anord n ung s ind d ie g rößere n
Kräfte an den untenliegenden Lenkern. Der Druckslab ist so arn un-
teren Que r lenker angebracht, dass die Antriebswe lle genüge nd Platz
ha t.
7 Baufo rmen von Achsen
7.2 Bauteile von Doppelquerlenkerachsen
Parts 01 double wishbon e axles
Nabe hub. Die Radnabe nimmt das Rad auf, d. h. sie zen-
triert das Rad und stellt eine Drehmomentverbindung
zwischen de r Brem sscheibe und im Fall einer anget rie-
benen Achse zwischen der A ntriebswelle und de m Rad
her. Außerdem muss sie auch die Biegu ng, hervorgerufen
durch die Scitcnführ ungskräftc der Reifen , au fnehmen
und an die Radlager weiterleiten. Die Nabe ist über die
Radlagerung drehbar mit dem Radträger verbunden. Die
Innenringe der Radlager sitzen also direkt auf der Nabe. Nabe und Radträger bilden so
mit Lage rn, Distanzh ülsen und Dichtungen praktisch eine Einheit. Hier sollen diese Teile
jedoch aus G rü nden de r Übersicht getren nt betra chtet werden .
Damit die Nabe biegesteif und trotzde m leicht ist, wird sie mit einem möglichst großen
Durchmesser und hohl ausgeführt , Bild H-125. Der Durch messer der Nabe wird beg renzt
durch die Lagerreibung, die ja mit dem Durch messer der Radlager ansteigt, und durch den
Bauraum. den die Felge für Bremsscheibe und -za nge übrig lässt.
Eine Zentra lverschra ubung ermög licht rasche Radwechsel. Die Gewindesteig ungen sol-
len relativ grob sein, dam it das Aufsetzen der Zentral mutter in der gebote nen Eile einfach
mögli ch ist. Die Radbefest igung wird in Kapitel G 4 Radbefes tig ung genauer beschr ieb e n.
... -
H
o --+-------------
Bild H·125
Radnabe eines Forme lwagens .
Die Radnabe besteht aus Stahl m it einer Mindest-
wandstä rke von 2 m m. Das Rad wird über einen Zent-
ralversc hluss gehalten. Einen Teil der Drehm om entver-
bind ung stellen Zapfen her, die in das Rad eingep resst
sind . Die entsprechenden Bohrungen der Nabe sind
ho choval. dam it die Lage d es Rads durch vier od er
meh r Zapfen ni cht übe rbestimmt wird. Damit beim
Radwec hsel d ie B remsscheite. die ebenfalls von den
Z apfen mitgenommen wi rd, n icht abfällt, ist sie mit ei-
n igen kleinen Schrauben an den Flansc h geschraubt.
Die hoh le N ab e nimmt innen die automat isch e Siche -
r ung seinheit für d ie Zent ralmutter auf.
1353
HFahrwerk
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Bild H-126
Radn abe für Kompakt lage r
(Formel Re nau lt H interachse).
Die Radnabe ist zwe iteilig und wird an der ange -
tr iebe nen Hinte rachse eingeba ut.
1 Radf lansch hub !lange
2 Flansch für Gelenkwellenanschluss
flsnge tor axle sre tt
Die Mome nle nverbind ung zum Rad stellen zum
Teil Zapf en sicher, die in den Radflansch (1) einge -
schraubt w er de n (str ich liert dargestellt). Die Ze nt-
r ierung des Rads übernimmt der Innenbund des
gacüanscnes. Der Innanring des K o mp ak t lag ers
(strichlie rt) w ird zwischen den beiden Teilen d er
Nabe eingespannt. Die A ntri ebsw elle w ird d irekt
mit dem Flansch (2) versch raubt.
Radn aben angetri ebene r Räder kön nen zur Gewichtserleichteru ng direkt die Gegenbah n für
Tripod engelen ke au fnehm en, siehe Kapitel M 5.3 Wettengelenke.
Werkstoffe. Einsatz stähle. Verg ütungsstähle. 4 1SiNiCrMoV7 6 (DIN) wärmebehandelt.
Radträger upright, Der Radträger nimmt die Radlage-
rung und sämtliche rudscuigcn Anlcnkpunktc der Auf-
hängu ng auf. Obwohl getrennte Bauteile. bildet er mit
der Nabe eine e nge Fun ktionsei nheit. Bei außenliegende r
Bremse trägt er auch den Bremssattel. In dem Fall muss
die Radlagera ufnahme so gestaltet sein, dass die Belüf-
tung der Bremsscheibe und der Radlager möglich ist.
Weiters können Sensoren auf ih m angebracht sein, wie etwa Radd rehzahlsen soren. Tem-
peratur sen soren für die Brem se oder die Empfänger des Reifend rucksign als. Bild 11-127
ze igt beispielhaft für einen Radträger die Fahrwerkspunkte. die er bereitstellt, und seine
übrigen Funktionen. Die Größe des Radträgers ergibt sieh au s folgende n Überlegungen. Die
3541
7 Bauform en von Achsen
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Bild H-127
Funktionen eines Radträqers .
Folgende Fahrwerksp unkte stell t ein
Radträger bereit:
E oberer Anlenkp unkt für Querlenker
G unterer Anlenkp unkt für Querlenker,
Achse EG: Spreizungsachse an Vor-
de rachsen
U Befestigung Spurstange
U' a lternative Befest igung de r Spurstan-
g,
Weitere Fun ktionen:
1 Aufnahme der Radlager
2 Befestigung der Bremszange
3 Kü hlluft für Radlager und Bremse
4 Aufnahme von Sensoren, z. B. Ra d-
drehzahl
Aufnahmepunkte der Querlenker E und G sollen möglichst weit auseinander liegen (vgJ.
Bilder H-116 und H-117). Andererseits muss der Radträger in die Felge hineinpassen und
das gelenkte Rad muss um den gewünschten Lenkwinkel gedreht werden können ohne dass
Querlenker ode r Spurstangen rotierende Radteile berühren.
Häufig ist die im Bild lI-128 dargestellte Methode anzutreffen, dass die obere Querten-
kcranbindung E und die Aufnah me der Spursta nge U in ei ner Konsole erfolgt und diese
erst direkt mit dem Radträger verschraubt ist. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der
einfachen Sturzeinstellu ng. Wird der Sturzwinkel verstellt, müssen bloß zwischen der Kon-
sole und dem Radträgerdie Zwischenplättchen. die den gewünschten Abstand sicherstellen,
ausgetau scht werden (Bild 11.129). Werden nämlich Querlenker und Spurstange getrennt
am Radträger befestigt, muss beim Ändern des Sturzes di e Vorspur auch wieder neu j ustiert
werden. Ein Nachteil dieser hoch liegenden Spursta nge ist jedoch, dass durch die Felge der
Abstand zw ischen den Punkten E und U, also die Länge des Spurhebels begrenzt ist. Des-
halb finden sich auch alternative Anordnunge n der Spurstangenbefestigung (Punkt U') auf
Höhe der Radmitte. Diese Position gewä hrleistet den g rößtmöglichen Spurhebel innerhalb
einer gegebenen Felgengröße. Eine solehe Anordnung bietet sich besonders an der nicht
gele nkten Hinterachse an , wo im Allgemeinen auch die Seitenk räfte größer sind.
Der Radträger kann auch direkt die Druck- bzw, Zugstreben aufnehmen, d ie üblicher-
weise an einem Querlenk er befestigt sind. Die Querle nker erfahren dad urch kein Biegemo-
ment durch die Radlast und ebenso muss kein Querlenkerlager die Radlast weiterleiten. Die
Dimcnsionicrung dieser Teile kann also entsprechend leichter ausfallen. Insbesondere an
der gelenkten Vorderachse kommt allerdings die Forderung hinzu, da ss der Gelenksmit-
tclpunkt des Druck/Zugstabs genau auf der Spreizungsachse liegt. Sonst ändert sich beim
Lenken die Radla stverteilung unvorteilhaft. Bild H-128 zeigt für einen Druckstab die Mög-
lichkeit der direkten A nbindung an den Radträger.
1355
H Fahrwerk
Bild H-128 Direk te Anbindung eines Druckstabs an den Radt räger (axonometrische Ansicht und Stuten -
schnitt). Der Gelenksmi ttelp unkt T des Druckstabs liegt genau auf de r Spreizungsachse EG. Die Sprei-
z un gsachse (Lenk ungsachse) wi rd von den Mit ten de r Que rlenke rgelenken E und G gebi ldet.
In der Praxis stellen sich die Erfahr ungen gege nsätzlich dar. In de r Formel I hat Fcrrari
in der Saison 2000 diese von BAR bereits 1999 eingeführte Lösung an der Vorderach se
im Einsatz. Bei einem Lc-Mans-Rcnnfahrzcug wurde allerdings gcnau diese Anordnung
nach Problemen wieder zur gängigen. d. h. Schubstrcbcnabstürzung am unteren Querleu -
kcr, geändert [H( 9).
Die Einstellung des St urzwinkels sollte leicht an de r Ren nstrecke einstel lba r sein. Die
Verstellung ermöglichen Gel enk köpfe mit Ge windeein sätzen am Qu erlenker (siehe Bild
H-158). Einstellplättc hen unter den wagenseitigen Konsolen (Bild H-159) oder direkt e Ein-
stellmögl ichk eiten am Radtr äger. Bitder H-129 und H-130.
Bild H-129
Sturzve rstellung m it Einste llp lätt chen.
1 Radtr äger upright
2 Konsole braCket
3 Einstellplättchen adjusting snirn
Das Querlenkerlager und die Spurstange werden in ei-
ner gemeinsamen Konsole (2) aufgenommen. Diese w ird
mit zwei Sch rauben an den Radträger (1) geschraubt.
Einstellplätt chen (3) unters chied li che r Dicke werden zw i -
schen gelegt. Dam it lässt sich der Stu rzw inkel gez ielt
einstel len , Dam it d ie Halteschra ube n b loß g elö st werden
müssen , we isen d ie Eosteäptättcben U -förm ige Aus-
s parungen a nstelle de r Schra uben löcher auf. Außerdem
haben sie eine Las che an der Oberseite zum einfachen
Herausziehen beim Demontieren.
7 Bauform en von Achsen
H
Bild H·130
Sturzverstellung mit Besterpla tte.
1 Raster platte serrated pla te
2 Radt räger upright
Querlenker und Spurstan ge sind auf
einer Ptatte (1) gelagert. Diese Pratte
w ird oben auf den Radt räger (2) an-
geschraubt. Quer zu den Reifensei-
tenk räften verlaufen keilförm ige Nu -
ten, d ie einen Formschluss zw ischen
Raste rp latte u nd Radträger herstel-
len. Die Rasterplatte kann nach Lö-
sen der bei den Befestigungsmutlern
in Rasts chrit ten verste llt we rden.
Dazu weist sie entsprechende La ng-
löche r auf.
Eine alternat ive Einstellmöglichkeit bei ei ner gemeins amen Aufnah me von Q uerlenkerauge
und Spurstangcnanbindung am Radträ ger zeig t Bild H-130.
Werk storre. Gegossen aus Magncsium-, Aluminium - oder Titan-Legierung. Geschweißt
aus Stahl-, Titanlegie rungs- (z. 8. TiAl6V4 (DIN1785 1» oder Aluminiumlegieru ngsteilen.
Spezielle Guss verfahren. bei denen Leichtmetall mit Fasern verstä rkt wird (MMC Metal
Matrix Composite s, Aus dem Vollen gearbeitet aus Aluminiu m-, Titan- oder Stahllcgic-
r ungcn.
Radträger werden auch als gebaute Variante (Diffcrcnzialbauwcisc) eingesetzt. An ein
Rohr zur Radlageraufnah me werden t rapezfOrmige Bleche angeschraubt, die die Oucrlcn-
Bild H·1 31 Gegos sener Radträger (Formel Renault),
Der hohl gegossene Radträger aus Leichtmeta ll wird an der Vorderachse verbaut und nimmt ein Kompak-
tradlag er auf. Am Aohteil sind d ie beiden B utzen zur Versch raubung der Brems zange vorne und hinten
vorhanden. Durch Wegfräsen jeweils einer Seite werden da raus die Radträger für d ie linke u nd die rechte
Seite, Oben wi rd eine Konso le m it zw ei Schrauben verschraub t, die ein Achsgelen k und den Spurhebe l
darstellt. D urch Zwischenlegen von Plättche n w ird d er Sturz eingestellt. Unten erfo lgt die Verbindung zu
einem Gelenklag er im unteren Que rlenker übe r eine Stittschra ube.
H Fahrwerk
kcr und Bremszangen aufnehmen. Bei Serienfuhrze ugen komm en Guss - ode r Schmiede-
teile aus Alum inium oder Stahl zum Einsatz. Ein Formcl-I -Radträgcr wiegt aus Titan etwa
U~ kg für die Hinterachse und l.5 kg filr die Vorderachse.
Geschweißte Stahlrad träger sind die e rste Wahl für schwere Fahrzeuge. weil sie die steifste
Lösung da rstellen. Gussteile haben zudem hohe Lieferzeiten und Änder ungen können nicht
so schnell umgesetzt werden wie in Fräs- und Schweißkonstr uktionen.
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I V· =!LN
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Bild H-132
Geba uter Ra dt räg er (Formel 1).
Der Radträge r wird aus meh reren Stahltei-
len zusammengeschweißt. Der innere Teil.
der d ie Radlager aufnimm t, wird a us dem
Vollen gearbeitet. Die Zwischenrä ume, die
die 2.5 mrn star ken Rippe n üb rig lassen,
werden drah terodie rt In der Schnitt darstel-
lung ist strichliert d ie Radna be dargestellt.
Bild H-133
Rad träger rechts vorne , Formel 3000
{Reyn a rd Dg4}.
Der Radlagerbereich i st mit einem D eckel
ver sch lo sse n. Eine mittige Küh lluf tzuf uh r zur
Bremse ist be i dem Fahrzeug n icht erforder-
lich , weil es f ür ein Be rgre nnen aufge baut ist
und die Bremse rasch auf Temperatur kom -
men muss.
35s1
7 Bauform en von Achsen
H
Bild H -134
Radträger links vorne.
Formel B MW.
Zu sehen sind oberer und
unterer Ouertenker, deren An -
lenkpunk te d ie Lenkachse bil-
den, die Anbind ung der Spur-
stange und die B remszange
sowie das Radlaq er; Das unte-
r e Querlenkerlager nimmt die
größeren Vertikalkräfte auf,
weil arn unteren Querlenker
der Druc kstab angreift. Des-
halb ist das Gelenklager um
900 gedr eht gegenüber dem
oberen Lager eingebaut.
Bild H -135
Radträger rechts vorne
eines historische n Fahrzeugs
(Hawke DL 2b).
Der Radträger ist aus Blech-
teilen geschweißt.
1359
.
.
.
b
H Fahrwer k
Querle n ker wishbone. Die Qu er1cnker sind die Verbindu ngs-
glieder z wischen Radträger und Rahmen bzw. Wagenkasten. Sie
übert ragen mit Ausnahm e der Vertikalkräfte sämtliche Kräfte
zw ischen dem Reifen und dem Fahrzeugaufbau . Einige Querlen-
ker übertra gen über die Druek- bzw. Z ugstabunbindung auch die
Radlasten. Abgesehen von diesen Ausführungen treten also in den
Querlenkern prakt isch keine Biegemomente auf, weil sie gelen-
kig mit den Nachbarteilen verbunden sind und so nu r Längskräfte
übert ragen können.
Die Q uerlenker werden von viele n Teams als t ypische Ver-
schlcißteile betr achte t, die nach jedem Rennen routinemäß ig
getauscht werden. Sie sollen also relativ kostengü nstig sein. So wichtig ihre Festigkeit auch
im Betr ieb ist , bei einem Unfall sollen siejedoch d ie er sten Teile sein, d ie wegbrechen oh ne
die Befestigungspunkte des Rah mens oder Chassis zu deformieren. Das verhindert größere
Folgeschäden an der tragenden Str uktur. In der For mel I und Formel 3 sind Halteseile fü r
de n Radträger vorgeschr ieben, die verhindern, da ss Räder in einem solchen Fall s ich vom
Fahrzeu g lösen.
Die Lenker werden meist aus mehreren Halbzeugen zusammengeset zt, aus zwei Halb-
schalen verschweißt, gegossen oder a us dem Vollen gefräst. Die geringste Masse lässt
sich mit einem Verbund aus faser verstärkt em Kunststoff und Metallenden darstellen.
Bei Serienfahr zeugen werden Querlenker geschmiedet, gegossen oder aus Halbzeugen
geschweißt.
c
d
Bild H- 136 Ausführungs/ armen von Lenkerenden mit Auge.
An den Lenker sind verschiedene Aufnahme teile angeschweißt:
a Gewindehü lse in üacnem Lenker
b Gew indehülse in Rohrlenker
c Auge in Rohrlenker
d flacher Lenker mit Auge
360 I
7 Bauf ormen von Achsen
+
·:R
H
H-137
Ausführungs/a rmen von Lenke-
renden mi t Gabel.
Das Lenkerende ist mit einer ga-
belfö rmigen Muffe verschweiß t.
Die Enden de r Lenker sind über Gelenke mit den Nachba rteilen wie Radträger. Chassis.
ZugIDr uckstäbe usw, verbunden. Die häufigsten Gelenke sind Gelenklage r. denen der fol-
gende Abschnitt gewidmet ist.
Prinzipiell gibt es zwei Möglichke iten der Gelenka usbildung. nämlich das Auge oder
die Gabel am Querlenkerende. Die Bilder " -136 und " · 137 liefern einige Beispiele für
Gestaltu ng de r Le nke rende n.
Bei Rundstreckenfahrzeugen mit extrem geringen Federweg und Fertigun g in engsten
Tolera nzen (sprich Formel 1) findet man auch eine geschickte Lösung fllr Querle nke ran-
bindün gen. die völlig spielfrei arbeitet. nämlich flexible Metalllaschen (ftexure pil'ot). Bild
11 -138.
Die Querlenker weisen an den Anlenkpunkten zum Rahmen Sollbruchstellen auf. Bei
einer Kollision eines Rades mit einem Hindernis deformieren sich die Lenker und brechen
weg. ohne dass der Rahmen dadurch Schaden nehmen wü rde. In der Formel I und Formel
3 sind zur Vermeidu ng von Folgeschäden dur ch gelöste Teile Halteseile (terher rop e) vorge-
schrieben. die den Radträger mit dem Chassis verbinden.
Die Zusa mmenführung von gebauten Querlenke rarmen wird ähnlich gestaltet wie die
Anbinde ng einzelner Ende n. Zusätzlich können Knotenbleche zur Winkelversteifu ng ein-
geschweißt werd en . Bilde r H-139 bis H-141.
Bild H·138
B iegeweiche Titanlaschen als
Querlenkeranbindung
(Formel 1. Ferrarü
Diese äußerst einfach anmuten-
de Lösung tür ein Gelenk ist tat-
sächl ich nur bei geringen Feder-
wegen und größter Präzision de r
zu verbindenden Teile einschließ-
lich Chassis möglich. Andernfalls
erzeugen diese spielfreien Ver-
bindungen bloß eine Verhärtung
des Fahrwer ks d urch Verspan -
nung der beteiligten Bauteile.
HFahrwerk
Bild H·139
Zusammenführung m it
Gew indehü lse.
Die beiden Lenkerarme sind mit
eroeeewmoeröeeverecoweet
in die ein Gelenkkopf einge-
schra ubt wird. Ein Knotenblech
vers teift die Verbind ung.
r IUf''''
I
_
____________
______
-1_
I
Bild H-140
Zusammenführung m it
Gabeltnutte.
Die beiden Lenkerar m e sind in
einer Muf fe verschwe ißt, die eine
Gabel für die Gelenkaufnahme
t rägt.
•
•
Bild H-141
Zusammenfü hrung zu
Gelenksauqe .
Die beiden Lenke rarme sind mit
e inem Auge zur Ge lenksa ufnah -
me ve rschwe ißt.
a Ringstück
b Platte mit Auge
Quer lenker, die a uc h Radlasten übert rage n, weisen die ZuglD r ucks tabanbindung möglichst
nahe an der Lagerstelle zum Radträger auf, an der die Vertikalkraft eingeleitet wird (Bild
" -142). Das hält das Biegemom ent in de n Lenkera r me n klei n. Das Lager zu m Radt räger
muss natürlich imstande sein, die gesamte Yertikalkraft dieses Rads aufzunehmen. Deshalb
werden diese Lager bei großen Kräften so angeordnet, da ss die vertikale Radlast die Radial-
last des Lagers ist (Auge aufgestellt angeordnet).
Anbin dung Ra hme n
Anbindung
/
7 Bauform en von Achsen
Dr uc k- oder z ugstab
Anbi ndu ng Radträge r
/
H
Bil d H-142 Vertikalkrafteinleit ung in O uerlenker.
Das Gelenklager zum Radträge r ist aufges tellt eingebaut, damit es die Vertikalk raft Fc,z sicher über-
trag en kann. Sein Abstand a zur Druckstabanb indung so ll mög lichst klein sein.
Gelenk köpfe mit Außen ge windes chaft sind an d ieser Stelle schlecht geeig net, weil die
wech selnden Lagerkräfte ein Wechsel-Biegemoment im Gewi ndeschaft des Gelenkkopfes
hervorr ufen. Überdies wirkt sieh die Kerbwirku ng des Gewindes vor allem bei Wechsel-
beanspruc hung besonders schädigend aus und fiihrt z u Brüchen des Gewindeschafts weit
unter der zuläss igen Lagerbelastung.
..,r.- --- .- .-
-
-
-
-
::: L-:: -
'
..
F"
25
2
Bil d H-143 B iegemoment in Gelen kkootscnatt.
Auf den Gelenkkopf w irkt in einer solchen Einbausituation unter der da rgestellten Belastung Fz ein Bie-
gemomen l. Erschwerend zur Kerbwi rku ng des Gewindes kommt die Vorspa nn ung der Konter mutt er (2)
hinzu und führt zur höchsten Zugspannung Gmax im ersten Gewindegang im Aufnahmes tüc k {1) auf der
Zugseite der Biegung. Zusätzl ich sind typische Abmess ungen eingetragen.
H Fahrwerk
•
Bild H-144 Q uerlenker vorne.
Die beiden Anlenkpun kte zum Monocoque sind als So llbruchstellen ausgebildet. Bei einer Koll ision des
Rades mit einem Hindernis bricht der Lenker weg, Dam it d ie freigewo rdenen Lenkerenden nicht d ie Mo-
nocoqoewanc durchbrechen und die Fahrerbe ine verlet zen können, s ind d iese hinte r der Soubruchstelle
mit einer Längsstrebe (anti-intrusion bar) verbunden. D ie Strebe selbst ist du rch eine Stec km uffe in d er
Mitte unterb rochen. Bei der Montage werden zuerst die An lenkpunk te am Fahrzeug verschraubt und
anschließend die M uffe quer du rchbohrt und versch raubt. Diese Verschraubunq wird allerdings nicht von
a llen Teams vorgenommen, we il dad urch d ie Lenkerenden Abstandstole ranzen zwischen den Gelenks-
p un kten leic hter ausgle ichen können.
4
1)
Bild H-14 5 Q uerlenker vorne unten.
Dieser Querlenker n immt ein Gelenk lager auf (2) das einerse its die D rehung des Rad trägers zum Lenken
e rmög licht und andere rse its die Radlast aufn immt. Ein Zwische nstüc k l eitet die Rad last d irekt in eine Ga-
bel (1), die mit einem Gelenkkopf des Druc kstabes ve rschraubt w ird. Das Zw ischenstück ist so ausger ich-
tet, dass d ie B ieg ung durch den D ruckstab in einem Querlen kerarm b leibt. Das Lager (3) am Ende dieses
Arms ist daher a ufges tellt eingebaut, damit es d ie Rea kt ionskraft vo rteilhaft als Rad ial last übe rt rägt. Der
zweite Arm mit Lager (4) überträg t hauptsächl ich Zug/Druck kräfte.
3641
7 Bauform en von Achsen
Aufnahme Druck~ta~
H
Bild H- 146 Querlenker hin ten.
Dieser Qu erlenk er übe rträgt auch Vertikalkräft e vom Reiten zum Druckstab. Zusät zlich ist die Spu rstange
integr iert. Die Verschraubung zwischen d em Lager und d er Spu rst ange (siehe Vergrößerung) erm ögl icht
das Einstellen der Vorspu r. Dazu wer den Einstellscheiben unters ch iedlicher Dicke nach Beda rf vor dem
An ziehen d er M utter zw ischen ge legt. Ein we iteres Deta il zeigt. w ie mit gebogenen Sche iben eine einfache
Mon tagebasis tür d ie Bremsleit ung angeschwe ißt wurde.
Werkstoffe. Stahl, Aluminium- und Titan legieru ngcn , faserverstärkte Kunststoffe mit ei n-
laminierten Metallenden bzw. Buchsen.
Bei einige n Fahrzeugtypen verlangt das Reglement, dass die Querlenker aus homogenem
Werkstoff bestehen. Auch Verchromen von Querlenkern wird von einigen Regula rion unter-
sagt.
Q uersch nittsformen cross sec tional shape s . Ideal a us Fest igkeitsü be rleg unge n (wenn kein
Biegem oment eingeleitet wird, bleiben reine Zug/Druekkräflc ) ist der Krei sringquersehnilt,
aus aerodyna mischen Gr ünden werden meist flache Ellipsen- oder Flügclprofile eingesetzt.
Sind g rößere K räfte zu übert ragen, kan n innerhalb eines Ellipsenprofils ei n Kreisrohr mif
Schlitzschweißungen z ur Verstärku ng eingebra cht werde n.
~II
Bild H-147
Ouerschmttsto rrnen von ouer-
lenkern aus St ahl.
1365
H Fahrwerk
Gelen kl ager spherical he aring (rosejoint) .
Als Verbindungsgelenke zwischen zueinander
bewegten Teilen wie Querlenke r und Radtr äger.
Druckstab und Umlenkhebel usw. haben sich
Gelenkköpfe (ro d e nd hearings) und Gc1cn-
klag e r tspherica l hearing) durchgeset zt. Ein
Gclcnkkopf ist im Gr unde ei ne versch raubbare
Aufnahme mit einem eingewalzt en Gc1cnk-
lagcr.
Die Gelenklage r (auch Uniball-G ele nke ge nan nt) übe rtr age n spielfrei Radialla sten.
nehmen aber auch Axialkräfte auf. Sie werden mit Passschrauben in Konsolen bzw. ent-
sprechend gestalteten Aufnahmen befest igt. Dabei wird das Gelenklager in eine Bohrung
eingepresst und mit Sicherungs ringen gesichert (Bild H-152) ode r eingestemmt. Für die
letztgenannte Sicheru ngsart ist allerdings eine eigene Ausführung mit Radialnuten erfor-
derlich, Bild H-150. Der z ulässige Schwe nkbereich hängt von der Ausführung ab, siehe
Rild H-14H. Empfehlenswert im Fah rwerksbereich sind wartungsfreie Lager mit einer
PTF E-Gleitsch icht am Außen ring. Manch e Ausführu ngen mit Gleitschicht neigen all er-
dings zu einem größeren Losbrechmoment als ihre zweiteiligen Pendants, weshalb im
Bereich der Federbeinaugen die einfacheren Lager ohne Zwischenbahn bevorzugt werden.
Will man noch ge ringere Reibung und Klemmneigung realisieren. bleiben nur Wälzla-
ger (z. B. Nadellager), allerdings mit der Einschränkung, dass die Bewegung auf einen
Freiheitsg rad eingesc hränkt ist. Die Drehachsen müssen also für diese Anwend ung genau
fluchten. sonst ist der Effekt de r Reibu ngsminderung verni chtet.
Der Einsatztemperat urbereich von Gelenklagern erstreckt sich von - 50 bis 120 "C und
bei einigen Ausführungen bis 160 "C .
Der größtmögl iche Schwenkwinkel im eingebauten Zusta nd wird von der Gestaltung
der Nachbart eile weiter begrenzt, Bild H-149. Für besonders gro ße Schwe nkwi nkcl wer-
1
2
----
3
Bild H-148
Gele nklage r m it Gleitschicht.
Der max. Schwenkwinkel aus Sicht de r Lagerfläche ist er·
reicht. wenn d ie St irnt läche d es In nenr ing s d en Außenring
berührt.
1 Au ßenring. mit hohlkugeliger Innenrautbahn
2 La utschicht (z, S , aus reno n-eewebe. PTFE ·Verbund·
werkstott) mit dem Au ßenring verk lebt
3 Innenring mit kuge liger Außengleitbahn und zylind ri-
scher Bo hrung
7 Bauform en von Achsen
H
a
c
b
Bild H·1 4 9 Gestalt ung von Verb indungen mil Ge lenklagern.
a Gab ei mil zusätzlichen Distan zhülsen
b Verbind ung mit e inf acher G abel
c Verbindung m il St ift
Der mög liche Schwen kwinkel S wi rd bei d er Varia nte a d urch d ie beiden Hü lsen wesen tlich grö ßer als be i
Varianten b . Mit einem einfachen St ift lassen sich d ie g rößten Schwenkwinkel realisieren.
den eige ne Ausführ ungen angeboten , wie sie z. B. als Achslager eingesetzt werden, siehe
Bild J-6 4.
Die Toleranzen der Aufna hmebohru ngen fü r Gelenklager richten sich nach de n Empfeh-
lungen der Herstel ler. Als grobe Richtlinie kann gelten:
0H7: fü r geringe Kräfte und wen n axia le Verschiebliehkeif des Lager s erwünscht ist,
0M7: ergibt einen Pres ssitz fü r kombinierte Belas tu ngen und sto ßartige Kräfte,
0N7: für Gele nkauf nah men aus Leicht metall .
Engere Presss itze sollen nur zum Einsatz kommen, wenn stoßart ige Belas t ungen vorliegen,
die Aufnahme kräft ig genug ist u nd das durch den Presss itz erhö hte Losbrechmomcnt des
Lagers keinen Nachtei l darste llt.
gefügt verstemmt
~~,~
I
~
---- :::-
Bi ld H -15 0 Gelenk lage r eingestemmt {swaged} in ein Anschwe ißende eines Druc kstabs.
Das Gelen klager weist im Anaeferzustand oeioserts Nuten auf und wird mit einem leichte n Presssitz in die
Aufn ahm ebohrung einqese tzt. Anschl ießend werden d ie be id en Ra ndslege mit einem gee igneten rohrt ör-
migen Wer kzeug nach außen an d ie Fasen d er Aufnahmebohrung gedrü ckt.
H Fahrwerk
r
Bi ld H·1 51 Gelenk lage r in den Befestigungsaugen eines Feder/Dämpterbei ns.
1 un d 2 Siche rungsring circlip , 3 Gelenklage r sp h e ri cal bearing
Bei großen Gclc nkla gcrn können Konushülsen mit einem Presssitz in die Boh rung einge -
setzt werden und so spielfrei die Durchmesserdifferen z zur Passschr aube ausgleiche n, Bild
H-152. Außerdem ermöglichen die beide n Hülsen das Ausnutzen des vollen Schwcnk win-
kclbc rcich s. Die dargestellte Verschraubung ist zweischnittig (in douhle shear), abe r wegen
des separat verschraubten Blechb ügels den noch leicht zu montie ren. Die Lager aufnahme
im Q uerlenker mit Drucksteb anbindu ng ist so gesta ltet, da ss der Sicher ungsring (5) auf
der Seite sitzt, die nur beim Ausfedern Vert ikalkräfte übert rägt. Die größeren Kräfte beim
Ein federn übert rägt die gege nüberliege nde Sc h ulter.
,
,
,
5
Bild H-15 2 Verschraub ung eines Gelenk lagers .
1 Raoträqer bzw . waqensemqes cerecseten
z. B. Getriebe
uprighr resp. inbord housing. e .g . transmission
2 Konu shü l se conical spacer
3 Gelenk lager spherical bearlng
4 Que rlenkerende bzw. Gelen klagera ufnahme
link end
5 Sicher ungs ring circlip
6 B lechbügel srene
Der axiale Ab stand zwischen beiden Konushü lsen
sicher t den eindeut igen Konta kt m it den Surnnä -
chen des Gelenk lagers und erleich tert den A usbau
de r Hülsen.
3681
7 Bauformen von Achsen
Einschnittige Verbindungen (single shearssind z war möglich. sollten im Fahrwerksbereich
aber aus Sicherheitsgr ünde n vermi eden werden. Wenn eine einschnittige Verschraubung
gewählt wird. verlangen viele Reglements aus gutem Grund den Einsatz einer Scheibe am
freien Ende, deren Außendurchmesser größer ist als der Durchmesser de r Aufnahmeboh-
rung des Lagers, Bild H-153.
H
Bild H -153 Einschni ttige Verschraubu ng eines Gelenk kopfes .
Der Durchmesser S der Scheibe unter dem Schrauben kopf ist so groß. dass der Lenker auch beim Aus-
brechen des Gelenklagers aus der Bohrung m it 0 L mechanisch m it dem Radträger verbunden bleibt.
Gelenkköpfe sind Gelenklager. die bereits in eine Aufnahme mit lnnen- oder Außengewin-
de eingepresst und verste mmt sind. Die Auswahl an Gelenkköpfen ist vielfälti g. Erhält-
lich sind Ausführungen mit unterschiedlichen Gewinden (metri sch oder Zoll, Innen- ode r
Außcngewinde, links- oder rechtsgängig), aus rostfreien Stählen. hochfesten Werkstoffen,
Aufnahme aus Aluminium. mit Schmiernuten usw, Tabelle H-15 gibt einen grobe n Über-
blick über Daten von Ausführungen brauchbar er Gewi ndegrößen.
Tab . H -15 Werte von Gelenkköpfen aus Stahl, Bezeichnungen siehe Bild H -154 [H15}. [H201
GewindeG B
zul, s ta t . Radialkraft
zul. stat . A xialkraft
max. Schwe nkwinkel
[m m)
[kN J
n
M6
6
7,3 bis 23,4
0,1 bis 0,15Frad
7,5 bis 8
M8
8
13,6 bis 36 ,9
0,1 bis 0.15 F,ad
7bis9
M10
10
20.6 bis 48.7
0.1 bis 0.15F,ad
6 bis 8.5
Zum Vergleich ähnliche Zoüqewlnoe: 1/4' ·6.35 mm: 5/16 "· 7.94 mm: 3/8" ·9 .525 mm.
H Fahrwerk
"''&
"b
-i
~n-~
T
I
i
Bild H - 15 4 Anschl ussmaße von Gelenkköpfen (rod ends).
B Auf nahmedurchmesser Au ge, G eewooeoorcrmeeser. S Schwe nkwinkel. Fa, Axialk ratt.
F,ad Rad ialkraf t
Ein Nachte il de r Verschra ubung in Bild H-155 ergibt sich aus der eingeschrä nkte n Län-
gcn vcrstcllung. Erstens muss für eine Ä nderung die Q uerverschraub ung mit der Konso-
le gänzlich entfernt werden und zweitens kann die Verstell ung nur in halben Gclcnkkop-
fumd rchungcn erfolgen also nu r gestuft in halben Gewindesteig ungen. Wie ei ne mögliche
Verbess erung im Sinne einer ei nfachen Feineinstellu ng aussieht zeigen die Bilder "-1 56
und H-157. Als Nachteil dieser Anordnu ng muss die erhöhte Beanspruchung des Gewinde-
schafts im Bereich der Kontermutt er erwähn t werden.
-,
2
3
0
-
--
4
6
5
Bild H·1 5 5 Ge lenkkopfverschraubung in einer Ko n s ole.
Eine Passsch raube (1) nimmt das Kugelsegment des Gelenkkopfs (3) auf und verspannt dieses zwischen
zwei Distanzkeg elhülsen (4) mit der Kon sole (2). Die Konsole ist ihrerseits am Fahrze ugrahmen oder am
Radträger befes t igt. Ma n erkennt. dass schon a us Platzgründen d ie Keg elhülsen eine g ew iss e Länge
b rauchen, damit der zuläss ige Schwenkwin kel des Gelen ks vom Que rlenker (6) aus gen utzt wer den k an n.
Die Sche ibe (5) verh indert, dass die Mu tt e r das Ende des Bolzen ge w indes erreicht.
7 Bauform en von Achsen
H
,
Linksgewi nde
\-
2
3
Rechts ewinde
Bild H- 156 Längenverstellung bei einem Drucks t ab mit Gelenk kopf.
1, 3 Konterm utter lock nuts
2 Ausgleichshülse uveeaea sleeve
4 Druckstab ooen rod
Die Verschraubung des Gelenkkop fs m it dem Druc kstab ist mehrte ilig ausgeführt. Der Gelenkkopf weis t
ein link sgäng iges, d ie Au sgleichshülse ein recht sgängiges Gewinde auf. So lässt sieh die Länge des
Druckstabs oh ne Demontage d urch Drehen der Ausg leichs hüise stufen los ändern . Der Sta b selbst und
der Gelenk kopf werden da bei nicht gedreh t. Die be iden M uttern dienen zum Kontern.
2
Bild H -157 Stufenlose Längenve rstellung bei einem Stab.
1 Kon termut te r lock nur
2 Stab mit Zw eikantf läc hen rod wilh driving teeune
Die beiden Gelenkköpfe an den Enden weisen j ew eils Links- un d Rechtsgew inde auf. Durch Drehen des
Stabs kann so der Abstand zwischen den Lagern ohne Zer legung variiert werden. Der Stab weist an
einem Ende einen Zweikant für d en Gabelschlüssela ng riff auf. Mit de r Kontermutte r w ird die Einstellung
gesiche r t.
H Fahrwerk
Bi ld H·158 Längenverstellung bei einer Quer lenkeranbindung.
1 Einstellm utter adjusting nut
2 Gelenk kopf rod end
3 Kon termu tter loc k nur
Bei Qucrlcn kcra nbindungcn bietet sich eine weitere Art der stufenlosen Einst ellung im
zusa mmenge ba uten Zustand a n, Bild H- 158.
Konso len bra cket,
Wagcnscitig werde n Q uerlenker mit Kon-
solen gelenkig angebunden. Die Konsolen
sind dabei direkt an das Monocoq uc {bzw,
Chass is), den Rahmen ode r an das Getrie-
begehäu se a ngeschraubt. Werden meh rere Schra ubposit ionen vo rgesehe n, läss t s ich d urch
Änderu ng de r Höhenlage de r Gelen ke das Verhalten de r Radaufhäng ung ände rn , z. 8. Lage
der Nickpole gegen Bremstauchen bz w. Anfahrnicken ode r die La ge des Rollzent r ums . Bild
" -159. Durch Zwischenlegen von Plättchen untersch iedlicher Stärke , kann die seitliche
Lage de s Gele nks und dam it durch Verschieben eines Gelenk s (von zwcicn eines Dreie cks-
qucrlc nkcr s) Sturz, Nachla uf c tc. einfach und w iederho lbar einge stellt werden .
Aus Siche rheitsg r ünde n solle n d ie Schrauben, die d ie Verbindung zwischen Le nke rar m
und Kon sole he rstel le n, von obe n ei ngesteckt ve rba ut werden .
Bild H-159
Konsole lDr einen Querlenker m it ceoeeooe.
Das Getriebegehäuse weis t mehrere Gewindebob-
rungen zur Befestigung de r Konsole auf . Damit
kann die Höhen lage d ieses An lenkpunk tes ver-
stellt werden, was d ie Lage der Nickpole und der
Rollzentren beeinflusst.
Zusätzlich können Plättchen unterschied licher Di-
c ke zum Zw ischenlegen vo rgesehen werden.
i
/
7 Bauform en von Achsen
H
Bild H-160 Konsole für einen Querlenker mit Gabelende.
In die Kons ole ist ein Gelenk lager eingerollt. Die Verbind ung zur Quer lenkergab el stellt eine Passs ch rau-
be her. Diese ist von oben eingestec kt. Eine selbstsich ernd e Mut ter verspa nnt die Verbindung. Die Kon-
sole selbst ist mi t zwe i Zylindersch rauben zum Getr iebegehäuse verschrau bt.
-f'-. --.
Bild H-161
Versenkte K onsole für einen Qu erlenker mit
Getenksauqe .
Die Konsole, ein Feinguss teil, wird bündig in das
Chass is versenkt und mit zwei Secns kantscnrau-
ben fixiert. An der Innenseite weis t d ie Konso le
jeweils o ben und unten einen Anlaufb und auf,
der auf das gewüns chte Abstan dsmaß für das
Gelenklager gef räst w ird.
Bild H-162
Konso le für einen Que r lenker m it Ge lenksauge.
Die Konso le. ein Gussteil. wird mit zwei Schrau-
ben an d as Chassis bzw. das Getriebegehä use
angeschraubt. Einstellscheiben können daz u
verwende t werden, den seitlichen Abstand de r
Gelenke zu verändern um Nachlauf, Stu rz, Lage
des R ollzentrums etc. zu beeinflussen.
HFahrwerk
Dru ck st ab . Zugsta b push: rod, pull rod.
.etrilJ
Schlanke Stäbe leiten Ve rtik alk räf te vom
. ..." '''''''''''''''''''''''''''''''".-
Radträger bzw. Querlenk er zum Umlenk-
hebel. Große, schwer e Teile der Rada ufh än-
gung (Federn , Dämpfe r) kommen so weiter
QJP
innen im Wagen z u liegen, was günstig für
Massent rägheits moment und Luftwide rsta nd des Gesa mtfa hrzeu gs ist . Die Stä be we rde n in
der Länge über Gewindestücke ändcrbar ausgeführt , womit z. B. der Bodena bstand oder die
statisc he Radlast verteil ung gez ielt ve rä nder t we rde n kann. Einige Möglich keiten gee ig nete r
Gelenksve rschraubungen finden sich im obigen Absch nitt zu den Gclcnklagcrn .
o
Bild H-163 Druckstab .
Der Druckstab ist als knickbeanspruchtes Teil ausgefüh rt. o . h . der Querschnitt in der Mitte ist größer als
an den Enden. Die Ge len kköpfe weisen jeweils Lin ks- u nd Bech tsqewin de a uf, so d ass die Län qe nem-
stellung d urch Drehen d es Sta bs erfo lgen kann.
Prin zipiell bieten sich zwei Möglichkeiten an , die Radlast weiter zu leiten, nämlich über
Zug- oder über Druckstäbe. Die A nbindung des Zug/Druckstab s soll möglich st nahe beim
Gelenk Querlenker z u Radträger sein, da mit das Biegemoment in diese m Querlenker klein
bleibt. Ideal in dieser Hinsicht ist die direkte Verbindung des Radträgers mit der Strebe . So
wird kein Q uerle nker auf Biegu ng beansprucht. Der Kugelm ittelpunkt des Verbindungsge-
lenk s muss allerdings zu mi ndest an der Vorderachse genau auf der Spreizungsachse liegen,
will man zusät zliche Radla stä nder ungen be im Le nken ve rme ide n.
Allgemein werden Elemente zur Übertragu ng von K räft en im Sinne des Leichtbaues
ideal als Zugstäbe ausgeführt . Druck stäbe haben gegenüber den auf Zug beansp ruchten
Streben den Nachteil der instabi len Versagensart Knicken (s. A nha ng). Mas sespa re nde
Fest igkeits betrac ht ungen f üh ren dem nach bei Druc kstäben zu einer solche n Gesta ltung,
dass der Stabq uerschnitt in der Mitte größer als den beide n Enden ist, weil der Stab beim
Knicken ja tatsächlich geboge n wird. Alle rdings dar f bei Zugstrebe n nicht vergessen wer-
den , das s Dämpfer in beiden Beweg ungsri chtunge n Kräfte erzeugen, also auch Zugst reben
be im rasche n Ausfedern Dr uck kräfte übertragen müssen.
Weitere Entscheidungskrite r ien z ur Wahl des Übertragung sg lieds liefe rn folgende
Betrachtunge n. Eine Reifenseitenkraft wird in erster Linie von de n Querlenkern aufgenom -
men . Ein Drucksta b liefert aber auch einen entlaste nden Beitrag, Bild H- 164. Je flache r der
Winkel a ist, dest o mehr Seitenkraft nimmt der Druckstab mit seiner Reaktionskomponent e
Fl . cos a auf. Bei einem (üblichen) Winkel von 3()Osind das 87 % von FI.
Die Stellu ng de s Zugstabs gegenüber einer Seitenkraft führt zu m (une rwünschten) Hoch-
hebe n des Wagenka stens in der Kurve. Diesbezüglich ist die A nordnu ng des Druck stabes
vort eilhafte r.
3741
7 Bauformen von Achsen
H
Fw, z
Fw,v
E
~=9i;i -
I
Fw, z
Bild H· 164 Kräfte in Lenkern und S treben bei Kurvenfahrt. Links: Druckstab, rechts: Zugstab.
Die Reaktionskräfte in den Zug- bzw. Druckstrebe n wirken s ich untersch iedlich aus.
EinArgumentfür- den Zugstab ergibtsichdurchdieAnordnungder Fcdcr/Dämpfcrciuhcitcn.
Diese können nämlich tief unten im Wagen liegen und so ihren Anteil an einem niedrigen
Schwe rpu nkt sichern. Bei Fahrzeugen mit einer hoc h liegenden Nase verbietet sich diese
Anordn ung schon aus geometrischen Gründen. Hier kommen nur Druckstäbe in Frage.
Der unte re Querlenker ist im Allgemeinen höher belastet. somit ist die Position am obe-
ren Querlenker für den Anbindu ngspunkt T gü nstiger (also für einen Zugstab) und das
Gel enk G des unteren Lenkers wird nicht durch eine zusätzliche Krafteinleitung noch höher
belastet.
Oewtchtsoptl mle r ung weight opümisation, Druckstäbe k nicken auch unte r reiner Druck-
kraft. wenn sie schlank (also sehr lang und dünn) sind. Bei ihrer Auslegung ist also die
Knickspannung "Knick das begrenzende Kriterium. Für den im Bild 11·165 gelagerten Stab
gilt:
G Knick
/
=1t2'E '-
/'A
E
/
A
E-Modul [N/mm 2]
Fläc he ntr ägheitsmome nt [rnrn "]
Quersch nittsfläche [mrn - ]
Für gewichtsopt imale. also bis an diese Grenze belastete Druckstabc mit vorgegebenem
Verhältnis des Profils rtt bzw. hIt gilt. nach [H21]:
für Ringquerschnitt
für quadratischen Querschnitt
r=[_' (~)~]±
h = [_3(Jc)~]±
x3tE
21t2 rE
..
t
O
--t;--
•
r
------
t
Bild H-165
Druckstab mit Kreisring ode r Quad ratprolil.
Der Stab is t beidse its ge lenkig ge lagert und wird
mit e iner Längskraft F be lastet.
t Wandstärke des Profils [mm)
r, h Ouerschnlttsabmessonqen [mm]
I Stab länge [mm)
H Fahrwerk
Daraus lassen sich bei gegebenem Werkstoff. also E. und der Stablänge I die Querschnitts-
abmessu ngen ermitteln. Man stellt für diese Belastu ng fest, dass das dünnwandige Qu ad-
ratrohr geringfügig besser als das Kreisrohr ist. weil meh r Mater ial im Außenbereich a nge-
or dnet ist.
Ein g ru ndlegende r Werk stoffvergleich kan n filr Dru ckstäbe nach Bild H-165 nach fol-
gendem Zusam menhang vorgenom men werden [ H27]:
p
III Rd Stabmass e [kg]
I1lRd - (;:E
vc
P
Dichte des Werk stoffes [kg/m']
Für leichte Druckstäbe muss der Wcrt plEI/2also möglichst klein sein, z . B. Tabelle 11-16.
Tab. H · 16 Vergleich einiger Werkstoffe für Druc kst äbe.
Werkstoff
Dichte
E- M odul
Kennwert p1El/2
[lIg /m3]
[N/m2]
[kg/m 2N' 12]
ve rqütunqssten t
7,85 ' 103
2.06 · 10"
1.73 .10- 2
Titan TiAI6V4 F89
4,43 .103
1,16 ·10"
1.30 .10- 2
Aluminium AIMgSi1 F32
2,70 . 103
0,70 , 10"
1,02·10-2
Druckstäbe aus Aluminium lassen sich also mit einer geringeren Masse ausführen als sol-
che aus Titan oder gar Stahl. obwohl Aluminium den geringsten E-Modul der drei Werk-
sto ffe aufwe ist.
Zugstäbe kennen nur eine Versagensa rt und das ist der Bruch beim Überschreiten de r
Werkstofffestigkeit. Geht man davon aus. dass de r Stab sich unter Last nicht bleibend ver-
formen darf bildet die Streckgrenze bzw. die Dehngre nze RpO.2 das Auslegungskriterium.
Für eine bestimmte Zugkraft F ergibt sieh dann eine minimale Stabmasse I1lRd von (Rild
H -166):
Bild H-166
Zugstab .
I Stab länge
Stabmass e [kgJ
Dichte des Materials [kg/m']
Dehng ren ze des Materia ls [N/m2]
Man erken nt. dass für einen Gew ichtsverg1cich von Werkstoffen nur der Ken nwert p /RI'O.2
maßgebend ist. Je kleiner dieser Wert für eine n Werkstoff ausfallt. desto leichter kann ein
Zugstab damit ausgeführt werden. Tabelle 11·17.
7 Bauf ormen von Achsen
Tab . H-17 Vergle ich von Werkstoffen für gewichtsminimale Zuqstabe .
Werkstoff
Dich te
Deh ngrenze
plRpO,'1.
(kg/m3)
[N/m'l]
[kg/Nm]
Vergüt ungsstahl 42CrMo4
7,85 . 10'
765 .106
1,026 ' 10- 5
Aluminiu m AICuMg 1 F40
2,75 · 10'
265· 106
1,038 · 1O~5
Titan TiA I6V4 F89
4.50 · 10'
820· 106
0.549 · 10 -5
Vergleichbare Zugstäbc aus Titan sind also leichter als solehe aus Stahl oder Aluminium.
Werkstoffe: Rohr au s Stahl. Titan. faserverstärkte Kunststoffe (CFK). Typische Durchmes-
ser liegen im Bereich um 20 mm bei Längen von etwa 270 bis 600 mm.
Um lenkhebe! bell crank. Umlenkhebel übertra gen Kräft e und
Bewegu ngen von Zug- bzw. Dr uckstäben auf Federn und Dämp-
fer. Ein Hebel stellt zwar z usätzliches Gewicht dar, er ermögli-
cht aber eine (beinahe)beliebige Lage von Federn und Dämpfern
im Fah rzeug. Gleichzeitig kann eine Übersetz ung zwische n den
Kräften vorgenommen werden. Diese Übersetz ung ist nicht kon-
stant, sondern ändert sich mit der Winkellage des Hebels. Durch geschickte Anordnung des
Hebels kann eine gewünschte Progressivität in der radbezogenen Fede rken nlinie erre icht
werden. Dies allein rechtfertigt schon den Zusatzaufwand. der durch Hebel entsteht.
Wirkung effect. Den größten Wirku ngsgrad erreicht ein Hebel, wenn da s Übertrag ungs-
glied einen rechten Winkel mit dem Hebela rm (Verbindung der Drehpun kte) einschließt,
Bild H-167. Diese Stellung kommt allerd ings bei Drehung des Heb els um seine Lageru ng the-
oretisch nur zweimal vor. Bei allen anderen Stellungen ist der wirksame Hebelarm kleiner.
H
I
I
F..t
r'
Bild H-167
Hebelwirkunq .
Eine direkte Übertragung stellt
s ich ein, wenn die Ubertragungs -
glieder (Z ug/Druckstäbe j senk-
recht auf d ie Hebelarme ste hen.
Dann gilt:
r- ,.. rRd
-
Rd -;
mit de r Hebelübersetzung fR Olf.
Weicht de r Stab allerdings von
d ieser rcsarstencnq um den Win-
kel l' ab, so red uziert sich der
wirksame Hebelarm auf
r'sr-cosl'undeswird:
{..'-,.
..!!iL
-
"rcosy
1377
HFahrwerk
---- -------- ------ -------- -
..:.. 2
L
c
······························
0
~
~
•
"- 1+-- ---:·
·60
·45·30
·15
o1530
Wink el
45
1 1°1
60
Bild H·16 8 Auswirkungen einer Hebelbewegung.
y Winkelabw eic hung eines Verbin du ngsglieds von der Id ealst eIlung ["]
Ky Faktor zur Beschre ibung der Änderung des Heb elverhältnisses durch y [-I
Die Hebelüberse tz ung ' R<j /r wi rd mit dem Faktor Ky verg rößer t. Das Gleiche gilt f ür das Verhältn is der
Schwenkwege. das ja gleich de m Hebe lverhältn is ist :
SRd = rRd·si";; ~
.<
"sin;;
r
Die Bewegu ng des Stabs und des Feder/Dämpferbei ns beim Federn der Rada ufhängu ng
ist also eine nähere Betr achtung wert Bild H-168. Bei ei ner Drehung des Hebels um seine
Lager ung ände rn sich die relativen Stellunge n des Zug/Druck-Stabs und de r FederIDämpfer.
Wir geben zu r verei nzelten Betra chtung der Wirku ng auf einer Hebelseite ein konstant es
Moment FRd . rRd vor, d. h. nur das Verbindungsglied auf de r anderen Seite bewegt sich
beim Federn. Man erke nnt, dass eine Abweichung von r = ± 1O" bis 15" des Verbindungs-
glieds von der IdealsteIlung sich kaum merklich auswirkt.
Will man jedo ch eine stetige progressive Fede rrate erz iele n, dürfen sich die Verhältnisse
nicht umk ehre n und das Wegeverhältnis zwisc hen Stab und Feder rRd/r muss abneh men
(vgl. Bild H-70). Das bedeutet, da ss sich der Winkel r beim Einfede rn zur 90"-Slellu ng (also
y = 0") hin bewegen muss. egal ob er von der positiven oder negativen Seite kommt. Die 90"-
Stellung wird so auf alle Fälle erst beim D ruckanschlag erreicht. Ode r anders besch rieben:
Der Winkel zw ischen Fede rbein und Hebel muss entweder anfangs kleiner als 90" sein und
beim Fede rn öffnen oder größe r als 90" sei n und schließe n.
Tatsächlich werden sich bcidc Verbindungsglieder beim Federn relativ z um Heb el bewe-
gen, d. h. dass für bcidc Seiten die Aussagen von Bild H-168 zum Tragen kommen und
eina nder überlagern. Die Ände rung der Gesamtübersetzung kan n dadurch verstärkt ode r
sogar aufgehoben werden, wenn bcidc Verbindu ngsglieder gegens innig arbeiten.
Übersetzu ng lever uge. Sind die Hebelsarme ungleich lang ergibt sich eine Übersetzung
rRir. Die Übersetzung Druckstab : Feder beträgt in Konstruktionslage üblicherweise I :2 bis
1: 3, d. h. die Feder hat den größeren Hebelsarm. Damit Hebel einfach auf unterschiedliche
Anforde rungen angepasst werden können , werden sie mit mehreren Aufnahmebohru ngen
für die Anschlussglieder versehen. So kan n die Übersetz ung in Stufen variiert werden .
378 I
7 Bauform en von Achsen
Der Hebel soll in voll eingefederter Stellung in je ner Ebene liegen, d ie von de n Achse n des
Zug/Druckstabs und des Feder/Dämpferbeins aufgespannt wird, Bild 11-169. Seine Dreh-
achse muss senkrech t auf diese Ebene stehen. Sonst entstehen durch die Längskräfte im
Stab z us ätzliche Reaktio nsk räfte. die den He bel u nd seine Lage r ung n achtei lig b elasten u nd
zusätzliche Reibkräfte hervorrufen und das Fede rbein wird bei m Federn verdrillt.
Auch wenn die Anordnung von Feder/Dämpferbein und Druckstab ist wie in Bild H-169,
brauchen die Teile ei ne rä umlich gele nkige Verbindung, Bild 11·170. Die FederID ämpfer-
Achse liegt in der Hebelebene und bewegt sich bei m Einfedern also nur in dieser Ebene. Das
ra hmc nscit igc Ansc hlussauge muss den Wink el ßsp kardanisch ermöglichen, wenn sei ne
Drehachse nicht parallel zur Hebelachse steht (was meist der Fall ist, weil dadurch die Auf-
nah mekonsole für dieses Auge ein facher au sfallt). Der Dru ckstab schwen kt beim Einfede rn
um den Winkel ßRdin die Hebelebene.
H
Hebel achse
Achse Feder/Dämpfer
Hebel eb ene
Aehs e Zug/ Druckst ab
Bild H·1 69
Ideale Lage der H eb elac hse.
Die Hebelebene wird durch die
Achsen von Feder/Dampferbein
und Zug/D ruc kstab aufgespannt.
Die Drehachse des Hebels steht in
Konstruküonslaqe normal auf die-
se Ebene.
-- ausgefedert
-
-
-
e inge f edert
_
L
Bild H · 170 Beweg ungen der Hebelanschlussgliede r.
ßSD Bewegung des Federbeins
ßRd Bewegung des Druckstabs
Draufsicht auf die Hebelebene (links) und entsp reche nde A nsicht von vorne (rechts)
HFahrwerk
Die Hebel sind gleit- oder wälzgelagert auf mit dem Rahmen verschraubten oder ver-
schweißten Zapfen gelagert. Die h intere n Umlenkhebel werden meist dir ekt am Get rie-
begehäus e befest igt, an dem ents preche nde Butzen oder Laschen angegosse n sind, B ild
11 -171. Bei Kasten rahm en. wo eine großflächige Kraftein leitu ng notw endig ist, komm en
Lagerzapfen mit einem Fuß z um Einsatz, Bild 11 -172. Dieser Fuß kann mit geeigneten
Verbindungstechnik en (Nieten, Schra ube n, Lamin ieren) mit dem Rahmen verbunden wer-
den .
Eine inte ressante A lterna tive z ur A nordn ung meh rere r Wälzlager biete n kombin ierte
Nadellage r. Diese weisen nebe n dem Nadellager ei n Axia llage r auf, das zwa r nur etwa y.,
der Rad iallast t ragen ka nn, für die übliche Hebellageru ng reicht da s jedoch problem los aus .
Bild 11 -173 zeigt beispielha ft ei n z weiseitig wirke ndes Nadelschr ägk ugellager.
Bild H -171
Hebel lagerung
bell cran k mounting.
1 Um lenkhebe l ro cker
2 Radiallager (Nadellager) radial
beanng (needie roller bearing)
3 A xiallager thrust bearin g
4 Stiftschraube stud
5 Kontermu tter lo ck nut
6 Einstellmutter adjusting nut
7 Lagerhü lse pivo t s/eeve
Der H eb el (1) d reht sich auf einem
Nadellager (2). das auf einer Lager-
hülse (7) geführt wi rd. Diese Lager-
hülse wi rd üb er eine St iftsc hraube
(4) in einer Aufna hmebohrung im
Getriebegeh äuse geh alten. A n bei-
den Randf lächen wird der H eb el
von A xiallagern (3) gestützt. Das
Laufspiel wi rd über eine Einstell-
mutter (6) eingestellt und mit der
Konte rmutter (5) ges ichert.
380 I
~-
p"
m= 6F---·_ · 1O-9
O" b.ma, h
7 Bauf ormen von Achsen
Bild H· 172 Lage rzapfen für Umlenk:hebel zum Anschraub en bolt on type rocker post.
Der Za pfen wird gegossen (z. B. aus umeqtertem Stahlguss GS 52 nach DIN) und an den Laufflächen
spanend bearb eitet.
.II
<~
-
-
<-<-<-<-<-
-
///",'
• JII
////
Bild H·1 73 Nade l- SChr ägk ug ellager. Das abgebildete Lager i st z we iseit ig w irke nd.
Werkstoffwa h l c ho ice of m a ter ia l. Zur gr undlegende n WerkstotTwahl wird folgende Betrach -
tung hilfreich sein. Ein Umle nkhebel besteht im G runde aus zwei Balken, d ie geboge n werden.
Für einen au f Bieg ung bea nspruchten Balken nach Bild U -174 ergibt sieh filr seine Masse:
P
Dichte des Werksto ffs [kg/m']
z ulässige Biegespannung des Werkstoff"
[N/mm2]
Bei sonst gleichen Abmess ungen ist also je ner Werk stoff im Sinne des Leichtbaus am gün-
st igste n, bei de m der Wc rtp/(Jb.ma, am kle ins ten ist.
H
~
.-
I
- i--..
I ----
.......
_..l.._
'-
-<lJ~~<- -
F
Bild H ·174
Bieg eba lk en unte r Einzella st.
b, h. I Abmessungen [mm]. F Kraf t [N]
H Fahrwerk
Tab. H -18 Werkstoffvergleich für Biegebalken.
Werkstoff
Vergülungsslahl 42CrMo 4
Al um inium AIZn MgCU1,5 F53
Titan TiAI6V 4 F89
Dichte
[kg /m3]
7,85' 1()3
2,70 · 103
4.43· 1()3
ZU!. Wech sel -Biegespannung
[N /mm2]
480
140
560
Kennw ert plUb max
[kglNm] .
1,64'10-5
1,93 ' 10-5
0.79 ·10-5
Von den a ufgeführten Werkstoffen ist a lso Tita n am be ste n für e inen leichte n Biegebalke n
geeignet.
Umlenkhebcl, bei de nen die Anschlussa ugen auf einer Seite der Hebelachse sitzen, kön-
ne n im Sinne der dire kte n Last leit ung (siehe Kapitel 8 5 Kons tr uk rionsprinzipi enr auc h in
Druck- und Zugele mente a ufgelöst werden , Bild U-175.
Herstellung f ah ric ali on . Umlenkhebel we rde n a us dem Vollen gefräst ode r als Blechbiege/
Schweißkonst ruk tio n ausgefü hrt.
Oberflächen besch tchtung surface finish. Stahlteile können vernickelt werden. Kleinere
Alumi ni umte ile werde n anodisic rt . Q uerle nke r und Schubstreben werd en gern e schwarz
ve rnic kelt. Verchromen von stä hlern e n Fahrwerk stei len wird von FIA-Reglc men ts unter-
sagt.
Bild H·175
Zerleg ung eines Hebels in Zug - und
Druc kelemen te, nach [H3 0].
Ausgehend vom gedanklichen Aufbau des Hebels
aus einem Druckstab. der schon vo rve rformt ist
und dessen We iterverformung mit Seilen verhin-
de rt w ird (Graf ik unten), folg t ein Leich tbauve r-
schlag für se ine Gestal tung (oben) .
7 Bauformen von Achsen
H
Bild H·176
Umlenkhebel rec hts einer Vor-
de rradaufhäng ung
(Formel 3000. Reynard 094).
Der Hebel ist nadelgelage rt u nd
we ist beim Drehzapfen a xiale
Anla uflagersche iben auf. Er über -
tr ägt die Rad aufst ands kraft übe r
den Druc kstab (1) zum Federbein
(2) und zum Stabilisator (3).
Bild H-177
Umlenkh eb el einer Hinterrad -
aufhäng ung (For mel Renault
2000) ,
Der Hebel ist eine Blechb iege
und Scbweißkonstr ukuon .
',-"
,
-0-
,
l Ei l~~·l
I
.
WI
Q
Bild H· 178
Blechhebel.
Der Hebel ist mehr teilig aufgebaut. Gestanzte
Blech teile werden abgekan tet u nd übe r H ülsen
miteinander verschwe ißt.
1383
H Fahrwerk
Bild H-179
Um lenk.hebel der H interradauf -
hängung eines Fo r m el-Wag en s
(Reyn a rd zytec, Fahrt rich tung
nach links).
Der Hebel ist direkt auf dem Ge-
triebegehäuse gelagert an dem
auc h Konsolen für die Ouerlen -
keranbind ung angegossen sind.
Der Heb el betätigt auch einen
T-fö r mi gen Stabilisato r.
7.3 McPherson-Achse Mc Phe rso n axle
Wegen ihrer Bauraumvorteile findet sich die radführende Federbeinachse an der Mehrza hl
der frontgetriebenen Pkw.
Bild H-18 0 Radf üh rende Federbeinachse eines Pkw a ls Vorderachse.
Der Rad träger (hier auch als Schwenklager bezeichnet} nim mt ob en das Federbein auf und ist unten mit
dem Que rlenke r übe r ein Radge lenk verbunden, Die beiden Querlenke r sind übe r Gummilage r an einem
Fahrschemel ge lager t, de r a uch das L enkg et ri eb e a ufn immt. Der Fahrscheme l selbst w i rd elast isch ent-
koppelt an die Ka rosserie angebracht. Die Achse ist angetrieben . Der Stab ilisato r, de r üb er Koppelstan -
gen m it den Querlenkern verbun den ist, weicht in einem Bogen den Gelenkswellen aus ,
7.4 Starrachse Beam axle
Die Sta rrachse mag fürden Einsatz be i Weubewerbsfa hrzeuge n als z iemlic h ve raltet gelten.
es g ibt jedoch tatsä chlich noch Rennser ien. in denen die Starachse reglementbedingt Stan-
dard ist. Allen voran di e nord-ame ri kanisc he NASCAR-Serie.
3841
7 Bauform en von Achsen
Bil d H -181 Anget riebene Sta rrachse eines Pkw .
Die beiden Achszap fen sind über zwei Boh rstücke. d ie in das Gehäuse des Achsgetr iebes eingeschwe ißt
sind, d irekt miteinander verbun den , Die Führung der A chse in Längs richt ung übernehmen zwei Läng s-
lenker. In seitlicher Richtu ng rei cht d ie Steifigkeit de r B lattfe der aus um die Que rkräfte aufzunehmen.
Luftf ed erelem ente helfen das Niveau bei untersch iedlichen Betadunqen konstan t zu halten.
Als Abwandlung einer Starrachse ka nn man die Verbun dlenkerachse (t wist beam axle)
betra chten. Die beiden Räder ei ne r Achse sind z wa r direkt m it eine m Achst räger miteina n-
der verbunden, allerdi ngs ist dieses Element mit einem offenen und damit torsionsweichen
Profil gestaltet. Bild H·IH2. Diese Quer verb indu ng wirkt also auch wie ein Stabilisator. Die
Räder haben über die Torsion de s Que rträgers eine gewissen Unabhängigkeit ähnlich einer
Einzelrada ufh ängu ng, ein Teil der Radlast wird aber zwischen den Rädern übertragen.
Bil d H-182 NiCht anget riebene Verbund lenkerachse eines Pkw ,
H
1385
HFahrwerk
8 Beispiele von Radaufhängungen von Rennfahrzeugen
Examples ot race car suspensions
Einige Bilder von au sgeführten Radaufhängungen solle n abschließend das Gesa mtsystem
anschaulich vor Augen füh ren .
Bild H-183
Vorderachse eines älteren Renn fah rzeu gs
(Porsoha 917) [H6].
-1
I
Bil d H-184
Hin te rac hse eines älteren Renn-
fahrze ugs (porsoha 917) [H6].
,
I
I
-- I ---HT'~
I'
I
Bild H-185
Dräu tsicht au f d ie Radaufhängung aus Bild H -184 [H6].
Die Ansicht zeigt die untere Querlenkerebene mit einer breiten, rah-
menseitigen Basis zur Au fnahme de r B rems kräfte. Der Querlenker ist
also im Vergleich zu übl ichen Q uerlen kern um ged r eht angeordnet.
8 Kolben 8remssatt el
Zomlralbef es t'!l ung
8 Beispiele von Radaufh ängungen von Rennfahrzeugen
St atMhsa tor mrt v aria bler Ve rste lll,lng
~MqEz:
,
I!
H
Bil d H-186 Vorderachse eines Touren-wagens tocer ceso re ITC 96) [H14).
Das Fahrzeug weist Allradantr ieb auf (s. auch Abschnitt M 6.3 Bauformen). Die Stabilisa toren werden
elektr o-hy draulisch verstellt.
Bil d H -187 Formel Renault Umlenkhebel und Stab ilisator der Radaufhä ngung hinten, Fahrtr icht ung
nach rechts
Die Schubst reben (1) üb ert ragen die Radlast über den Winkelhebel auf die Federbeine. Gleichzeitig ver-
drehen sie damit einen Schenkel des Stabilisators (2). Oie Stabi lisatorschenkel bewegen sich be im Aus-
federn der Räder bis zu verstellbaren Anschlägen (3). Wird eine andere Stabilisatorkennlinie gewünscht,
w ird der ganze Stab ilisator ausgewechselt. Es werden drei verschreoene Durchmesser-Varianten vom
Fahrzeughersteller angeboten. Oie Konsolen (4) de r Lenkera nbindunq sind 3- oaw. 4-fach ver stellbar.
Damit können Anfahrnic kausgleich und Rollzentrum verstellt werden.
H Fahrwerk
Bild H-188
Formel BMW Radaufhäng ung
hinten, Fahr trichtung nach oben.
Bei gleichseitiger Radhubbewe-
gung wird die Kraft überdie zwei
SChubstreben (1) und den W in-
kelhebel (2) auf die Mono/ader
übertragen.
Bei wechselseitiger Hu b b ew e -
gung wi rd der Winkelhebel du rch
eine Schubstrebe (1) entlang sei-
ner Drehachse verschoben und
gegen ein Tellerfederpaket (3)
gedrückt (Wirkung als wank-
Stabil isato r). Die Vorsp annung
und Mit tellage der Tellerfadem
ist über beidse itige Sch rauban-
schläge ände rbar,
Bild H-189
Vorderrad aufhängung eines
Formel-Renault-Wagens.
Das Monofederbein wird von
zwei Schubstreben (1, 2) und
einem Winke lhebel (3) betät igt.
Der Win kelhebel ist längs seiner
Drehachse gegen Tellerfedern
verschiebbar und w irkt so als
Wankstabilisa to r.
Bild H· 190
Vorderradaufhängung eines
Prcouktionssportwaqens.
Die Federbe ine (1) stehen an-
nähernd senkrecht und werden
über den Umlenkhebel (2) betä ti-
gt. Die beiden Um lenkhebe l wer-
den über Gestänge (3) und Zwi-
schenhebe l (4) so m iteinander
verbunden, dass beim wechsel-
seitigen Federn Radlasten über-
tragen werden. Dieses System
w irk t also als wancstabnsator.
3881
9 Daten
Bild H·191 Hin le r radaufhäng ung eines P rod uk li onss portwagens (Norme N20).
Die Abbild ung zeigt die gru ndsätzliche Ver wa nd tschaft von Permta hrze uqen Wenn d ie Au ßenha ut ab-
genommen wi rd. wi rd de r Ant riebsstrang sich tbar, der di rekt an den Mo tor enqeuanscbt is t. Die hin te-
re Rada ufhängung ist am Get riebegehäuse ge lagert und überträgt die Rad last übe r Druc kstäbe un d
Umlenkhebel auf di e Fed erbein e. d ie in längsrichtung auf dem Getr iebe sitzen. De r obe re Qu er le nk er
stützt den Radt räge r an z w ei Pu nk ten über ein e Verbindungskonsole ab. Damit l ässt sich d er St urz
o hne Vorspu rände ru ng ei nstellen. De r kurze u-staous aro r ist auf dem Flans ch zwischen Get riebe un d
Kupplungsglocke gelagert.
9 Daten Data
Nachs te he nde Tabellen liefern einige Daten z u Vergleichszwe cken .
Tab . H · 19 Verg leich k inematischer Ken n w ert e ausgew äh lter Fahrzeuge, Pkw au s [H31J
Mercedes
BMW 3er VWPhaeton
Formel
Audi Ra
A-Klasse
Renault
(l MP)
[H12]
Antr ieb' )
F
H
A
H
H
Achsprinzip2!
FB
FB
ML
D
D
lenkrollrad ius f" [mm]
-
20 ,7
4.8
-
0,5
40,89
Nachlaufwinkel r [Ol
2.83
5.8
3.71
4,49
9-12 .5
Nachl au f rt.,~ [mm)
13.8
17.0
26,12
18,46
Spreizung (1 [0]
14,1
15,36
5,15
15.53
8.7
Spretzuoqsversatz [mmJ
44.12
83.3
22 ,19
11 An trieb: F: Front ant rieb. A: Al lradantrie b. H: Hi nte r radantrieb .
2) Achsprinzip: FB: Federbelnachse. ML : Mehrlenkerachse. 0 : Dc ppelquenenkeracnse
H
H Fahrwerk
Tab. H -20 Verglei ch k i n emat isc h er Kennwe r tebe reiche von Fahrzeugt ypen .
Wert
Serienf ahrzeuge Pkw, z . T. (H05] Rennfahrzeuge, z. T. [H04]
Benennung
Sturz -n
N achlau fwinkel r n
Nachlauf ' 't, k ' mm
Spreizung 0 rl
Lenk rollradius t« mm
Sp urs tellung
(Vor-lNachspur)
Radvertikalbewegung (mm]
ma x. Wan kw inkel Wagen-
kasten, 0
"Imax. ±4' nach [H01]
Vorde rräder -1 bis + 0 ,5 'l
Hinterräder - 0,5 bis - 1,67 "I
Frontan trie b -2 b is +8
Heckantrieb +4 bis +11
o crs 39 ,5 [HOl]
3bis12
-
30 bis +75
Vorde rräder O' ±20' (-3 bis +3 mm)
Hinterräder O' ±60' (-5 bis +5 mm)
-8 0 bis +120
8
-0,5 bis-6
+2.5 bis +4.5
18
5brsa
2bisa
etwa s mehr als Serie.
Vord erac hse: _0 ,2
0
H interachse 0
0
-20 ots +30
0,8
390 I
Bremsanlage
Braking system
Rennfahrzeuge solle n möglichst sta rk besc hleu nigen kön nen , hohe Geschwindigkeiten
erreichen und auch rasche Richtungswechsel durchführen können. Man denkt dabei in
erste r Linie an die Antriebskraft des Motors , an geringe Masse n und Widerstände und
an die Haftung der Reifen. Aber auch das Bremsen ist eine Beschleu nigu ng, wenn auch
eine negative, und mindestens genauso wichtig fü r geri nge (Rundc n-)Zcitcn wie positive
Beschl eu nigu ng .
I
I Brems anlage
1 Allgemeines Genera l
Die Brc msa nlagcn gehöre n wie Räder, Radaufhäng ung, Lenk ung und Agg regate zu den
wicht igste n Baute ilen de r Fahrze uge. De mentsp re che nd hoc h müsse n die Sicherheitsa nfor-
deru ngen u nd damit a utomat isch die gesetzlic hen Auflage n sein .
Vorgeschrie ben sind in je de m Fall zwei unabh ängige Brem sanlage n fü r ein Kraftfahr-
zeug. Man unterscheidet in die Betriebsbremsa nlage. die Hilfsbrem sanlage und die Fest-
stell bre msa nlage . Die Bet r iebsbrem sa nlage wird als Muskel- , Hilfs- oder Fremdkraftbremse
ausgefü hrt. Sie muss z wc ikrcisig sein, a uf alle Räder wirken u nd abstufbar (also dosierbar)
sein, Bild I-I.
Die Hüfsbrcmsa nla gc muss beim Versagen der Betriebsb remsan lage de ren Aufgabe mit
verminderte r Wirk ung e rfülle n, bei Nutzfahrzeuge n muss sie auc h a uf den Anhä nger wi r-
ken. Als Hilfsb re msa nlage wird jeweil s der noch inta kte Bremskreis der Betrie bsbremse
hera ngezogen.
Die Feststellbre msanlage (" Ha ndbre mse" ) muss das Fahrzeug a uf einer sc hräge n Fahr-
bahn mit 18 % Neig ung im Stillsta nd halte n könne n. Bei Pkw wird die Feststellbre mse
mecha nisch durc h Seilzug oder Gestänge bet ät igt. A n Tourenwage n wird die Feststel lbrem-
se vielfach durch ei n zw ische ngeschaltete s Halteve ntil in eine m Brems kreis realisier t. For-
me1fahr zeuge weise n überhaupt keine Feststellbremse auf. An seriennahen Renn fah rzeugen
wird ge rne der A rre tiermeeha nismus der Feststellb remse e ntfe rnt. Diese so gen annte n Fly-
off-Handbremse kann sofort na ch de m Betä tigen wieder gelöst werde n.
Die Bremsanlage wird komp lettiert durc h Ha upt- und Radz ylinder. die über Hydauliklci-
tu ngen verbu nde n ein geschlossenes Syste m darste llen. Die Verstärk ung de r Fußkr aft über-
6
7
/
00
00
Bil d 1-1 Bremsanlage eines Pkw. Schema.
1 Scheibenbremse vorne, bestehend aus Brems-
scheib e und Bremszange
front disc brake. consisting of disc and caliper
2 Tandem-H auptbremszylinder
ieoaem bra ke master cytmäer
3 Bremsflüssigkeitsbehälter brake·fluid reservoir
4 Unterdr uck-Bremskraftverstärker
vskuam brake booster
5 Bremspedal brake pedal
6 Bremskraft regler brake-power regulator
7 Scheibenbremse hinten, bestehend aus
Bremssche ibe und Bremszange
reer disc brake
8 Feststellbremse parking brake
1 Allgeme ines
neh men Saugluft. teilweise auch hydraulisch e Brem sk raftverst ärker. Dcr Tandcm-Hauptzy-
lindcr besitzt zwei separate Druckräume für die not wendigen unabhängigen Bremskreise .
Die Bremskraft muss sich entsprec hend der Achslasten auf die Achsen verteilen. Bei
der Brcrnskrcisauftcilung hat sich bei frontlastigen Fahrzeugen die diagonale und bei den
mehr hecklustigen Fahrze ugen die Vordemehs-/ Hinterachsa ufteilu ng d urchgesetzt. G rund-
sätzlich muss ein Überbremsen der Hinterachse vermieden werden. dazudienen bei Seri-
e nfahrzeuge n a utom atische Bremskraftregler. d ie last-, d ruck- ode r verzög erungsabhängig
arbeiten . Bei Rennfahrz eugen wird im Allgemei nen eine feste - allerdings vom Fahrerplatz
verstellbare - Verteilung gewählt. Bild 1-2 .
Die Abbremsung (hrak ing ratiov ist die auf da s Fahrzeuggewicht bezogene Ges amtb rems-
kraft:
I
FY•X•ll
,=---
=
Fy.z.\
u" . 1000/0
g
F v.z
.
t
Abbremsung l-l bzw. [%]
Bremsk raft im Schwe rpunkt des Fahrze ugs
ang reifend [N]
Gesamtgewicht des Fahrze ugs [N]
Längsbeschleunigung [m/s2]
Tab elle I-I zeigt eini ge Mindestbremswirkungen nach einschlägigen Vorsch riften.
Tab. 1·1 Mndestantordenmqen an Bremsa nlagen.
Bremsanlage
Betrieb sb.
m ittlere Verzög er ung [m/ s2J
Kraft rad
Pkw
Lkw
5,8
5.8
5.0
Abbremsung [%]
Anhänge r
45 bis 50
Hilfsb.
Fest st eüb.
3.1
2.9
2.2 (Busse 2.5)
muss 18 % Fahrba hnneigung halten
Die Abbremsung folgt somit aus der Summe der bezogenen Bremskräfte von Vorder-
und Hinterachse und wird von de r maximalen Reibung zwischen Fahrbahn und Reifen
begrenzt :
F w.x.ß J
FW•X.BJ
,=
Fy.z .\
r:
+ W. X.B.r
Fy.z.\
a,
=
-=51Iwx
g
.
Brem skra ft an der Vorde r-
achse [N]
FW•X
•
R.r Bre msk raft an der Hinter-
achse [N]
Jlw.x
Haftrei bung in Längsnch-
tungH
(1.1)
Mit obiger Beziehung lässt sich das Diagramm de r Bremskraftverteilung erstellen, Bild
1-2 .
I Bremsa nlage
Bild 1·2
Brems kraflverleilungsd iagramm
brake- balance ehart.
Die Summe de r bezogenen Achs-
Brems kräfte i st die Abbremsung
z.Das Verhä ltnis de r ta tsächlic hen
Brems kräfte ist je nach Brems -
anlage ein fest eing estellter Wert
(Festverteilung) od er w ird von ei -
nem Regler beeinflusst. Die ide-
ale Aufteilung. bei der die größte
Ab bremsung er reicht wi rd, hängt
von der Scnwe rpunktn öhe ab.
.,
o
0,15 0,30 0 ,45 0,60 0 ,75 0,90
FII,ll,9 .rl Fv,l ,t r-:
0,'
'";"' 0 ,3
",
~0,2{ ;;.... 1"\
-
.
•
"
Li0,1
2 Anforderungen an Bremsanlagen
Brake system requ irem ents
Folgend e Anforderu ngen werden an eine Bremse gestellt:
konstante Bremsleistun g unte r all en Betriebszuständen,
kei ne Fad ingn eigu ng bei hohen Te mperat uren .
Aufre chterhaltung der Richtungsstab ilität beim Bremsen,
geri nges Ge wicht.
3 Physikalische Grundlagen Physical basics
Grundsätz lich müssen die Brem skräfte über den Reifen eingeleitet werd en. dab ei bestimmt
die Reibungskraft zw ischen Reife n und Fahrbah n die Kraftübert ragung. Allgemein ist eine
Reibungskraft Frr= Jl FN' wobei FN die Normalkraft und Jl die Haftrcibungszahl ist. Die
Normalkraft ist abhängig von der Achs- bz w. Radlast. Für die Brem skra ft einer Achse n
gilt also:
FW,X.B.o = JIW.X.n
.
FY.z .n
Fw.X•Il•n
FY.z.n
Bremskraft der Ach se n ( N]
Ach slast der Achse n [N]
( 1.2)
Die Ach slast der Vorderach se erh öht sich bei ein e r eingeleiteten Brem sverzö gerung U x um
den Betrag 1:J.F
r
Die Hinterachse wird um den gleichen Betrag entlastet. Soll de r verfüg-
bare Kraftschluss filr alle Abbremsungen z (z = u/g) voll genutzt werden. dann muss sich
das Verhältn is der eingeleiteten Brem skräfte an v order- und Hinterachse entsprechend der
Achslas tve rte ilu ng ä ndern . Im Brem skraft ve rteilu ngsdia gramm (Bi ld 1-2) verschie be n sich
in dem Fall die Lage der Parabel und auch die Lage der Gren zk urven mit der Veränderung
des Fahrzeugschwerp unkts. Die Brem sk raft verteilu ng bleibt konstant, so lange keine Brem s-
3941
3 Physikalische Grundlage n
I
kraftrcgclung ei ngreift. Oberhalb Zkr il tr itt die Gefahr des Überbromse ns (Blockie ren de r
Hinterräder) u nd dam it ein instabiles Fahrverhalten auf, weil an der Hinterachse keine bzw.
eine sehr geringe Seitenführungskraft zur Verfügung steht. Der kürzeste, ideal mögliche
Anhaltweg wird er reicht. wenn d ie Abbrems ung gleich dem Reibungskoeffizie nten wird.
Bremskraft des Fahrzeugs hru k e force of vehicie. Die erfo rde rliche Ges a mtbrems kra ft
eines Fahrzeugs Fv,x.1l kann aus verschiedenen Ansätzen ermittelt werden.
aus Trägheitskraft: Fy,x,ß = IIlV,I • CJx
//IV.l • ~.~
aus Bewegungsenergie: FV.X
.
B=
2'\'B
aus der Abbremsungz: FV,X.B = I1IV,l •g .z
IIlY,I Fahrz e uggesa mtma sse (kgJ
CJx mittlere Bremsverzögeru ng [mJs2]
vv Fahrzeuggeschwindigkeit vor dem
Bremsen [m/s]
s n Brem sweg [m]
Sämtliche beim Bremsen wirkende Kräfte eines Formel-I-Fahrze ugs sind im Bild 1-4 ein-
get ragen ,
Fw,x,8,r /
V Schwe rpun kt des Gesamt-
fahrz eugs
Bild 1·3
Bremskräfle am Fah rzeug,
FVXB - FW,X.BJ+ Fw,x.B.r
()
FV,X,B
..
oV
jL--------'\E0 lL-~
v,
-
FW,X,8 ,f
4B44 N
5359 N
Bild 1- 4 Bremskrä fte an einem Formel-t -waqen nach [lOB).
In den Reifenaufstandsflächen sind sämtliche Kräfte beim B remsen bei 320 kmlh mit 4,4 9 eingezeich-
net. Zusätzl ich sind de r Widerstand des Heckflügels u nd d ie Summe de r aerod ynamischen Abtr ieb skräf-
te im Dr uckp unkt einget rag en. V Fahrzeugsch ws rpu nkt.
I Brem sanlage
'FV,X,B
Bild 1-5
:; Energiebet rachlung be im
LL Bremsen,
Die Bewegungsenergie eines
Fahrze ugs wird beim B remsen in
Beib unqsarbeit umgewandelt.
•
5•
5L
-"-
-'
Bremsa rben und -let stung hraking work and hraking po wer. Grob kann die Energiemenge.
die bis zum Stillsta nd des Fahrzeugs vom Bremssystem aufgenommen werden muss. über die
Encrgiccrha h ung abgeschätzt werden.
Wß = f "v.x.n ds bzw.
s
WB = FV•X •B " .I"B bei FV,X,ß = const.
Ws Brem sarbeit P]. wird du rch Reibung in
Wärme umgesetzt
\'v,o Geschw ind igkeit vor de m Bre mse n [ m/s]
vV.Re Geschwindigkeit nach dem Bremsen (m/s]
nlY.1 2
2
WB = --(~'vO-\'vRc)
2
.
.
Fh.max = Fy.X.Fl •\'Y
FY,X.B •\'y
Fh.m =
2
Bremsleis tung. größter Auge nblicks -
wert [\V]
mitt lere Bremsleist ung [W]
Bremszeit lsl
Geschwindigkeitsdiffe renz [m/s]
Beim Verzögern eines Fahrze ugs helfen Luft- und Rollwiderstand mit. Diese Widc rstän-
dc sind geschwindigkeitsabhängig und stellen nur einen klein en Beitrag in der gesa mt-
en Bremsleistu ng dar. Bild 1-6 zeigt die Anteile für einen Pkw de r Kompaktklasse für
eine Verzögerung von 1 g. Bei 100 km/h beläuft sieh die gesamte Bremsleistung bei etwa
340 kW. Beim Bremsen bis zum Stillsta nd muss die Bremsanlage den über wiegenden Teil
in Wärme umwandeln und an die Umgebung abführen . Der Beitrag der Hilfswirk ung des
Luftwiderstands ist auch bei Rennfahrzeugen ähnlich. weit abtr iebserhöhende Maßnahmen
den Luftw iderstand zwangsweise erhöhen. vgL ß ild 1-7.
3 Physikalische Grundla gen
I
700
~ 600
go 500
,
t: 400
~
•
~ 300
E
~ 200
•
50
100
150
200
Fahrgeschwi ndigkei t v [km/h]
Bild 1· 6
B remsleistung eines Pkw bei
1 9 Verzögerung [116].
Roll- und Luftw iderstand stellen emen
kleinen Beitrag de r Gesamtoremsrers-
t un g dar . Der überwiegende Teil muss j e-
doch von der Bremsanlage au fgebracht
werden .
Pe.l gesamte B remsleistung des Fahr-
zeu gs
. '01"- -
--,
1-
I
I
-',
l
1
-;
. ; 3 , 5 ~-----+----------r---+
:3,
t -tz~-
§ 2,5
•
~2,0
.- ---t -
Li
~ : :~ - ._-- !.-.---+----,-i----~j- ·i
0,: '-----1---l .~~=:=:+.::::;:;;'..;
.
o
70
140
210
280
Fahrgeschwind igkeit v [kmfh )
70
140
210
280
Fahr oe$chwindigkeit v [km/h]
- -,1-
-1--
.'- -)
z,'
,
I
.... ..... ..
' ,0 ~~-l
.1
,--i
-
',0
,
11!
;;3,0 -~r--~ I
,--1
.3 ,0
-
-
1-1-1
-1
~2,5
I
i
i
i
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i
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_
-
_
-
_
-
_
I_
·· _-
,,,-,=,,-I-='-=':--iL__::!
0,0
o +--±-....;;~='S:---=
o
Bild 1-7 Erzielbare Abbremsung bei einem Mittel klasse-Pkw (links) und einem Spo rtwagenprot otyp
(rechts) [116].
Zt tatsäch liche Gesamtabb remsung
ZL An teil des Luftwiderstands an der Abbremsung
Während Ser ienfahrze uge Höchstwerte von ca . I für die Abbremsu ng erreichen. liegen
die Werte für Rennfah rzeuge mit aerody nam ischen Abtr iebshi lfen vor allem bei höheren
Geschwi ndigkeiten wesent lich höher, Bild [-7. Bei Serie nfahrzeugen kommt es bei sehr
hohe n Geschw indigkeiten mitunter sogar zu Auft riebskräften. d ie die Radlast und damit
die mögliche Bremskraft verminde rn .
Spezifisch e Bremstelstung N. Zur Er m ittlun g wird die ma xim a le Bremsleist ung. d ie sich
bei ei ner Vollverzögerung aus der Höchstgeschwindigkeit pro Bre mse ergibt. auf die Reib-
fläche des Bremsbel ags bzw. auf d ie überstrichene Fläche der Bremssc heibe bezogen [116]:
NBclug = PB.W .max1(2·Alklug) N
spez ifische Brems leistu ng [kW/em2]
P B.W
•
max max. Bremsleist ung pro Rad [kw]
A B~1ag Reibfläche Bre msbelag [cm -]
ABd
überstric he ne Bre mssc heibenfläc he [cm 21
I Bremsa nlage
Bremsk r a rrver teüung brake Mus , [ront-to-rear hruke halance. Bei einer festen Auftci-
lung der Bremskräfte zw ischen den Achsen gilt ruf die einzelnen Brem skräfte.
FW.X .B.f = C1>f •FV•X•B
FW.X,B.r = cPr ' FV•X.B
es gi11: cPf +t:Pr = 1
rpf Bremsk raft ante il Vorde rachs e l- l
f/Jf = 0,65 bis 0,75
r/J , Brem sk raftant eil Hintera chse l-I
$r=0.25bis0,35
Durch die Achslastverlageru ng (axle-toad tran .Ver) beim Bremsen erlaubt eine feste Auftci-
lung der Bremskräfte nicht die maximal mögliche Abbrcmsung bei vorgegebener Haftrei-
bungszahl Reife n/Straß e. weil eine Ach se blockiert während die Reifen der anderen Achse
noch Potential z u Steige ru ng der Reibkraft hätten. Das Ideal stellt so eine lastabhängige
Regelung der Brcmskraftauftcilung da r. Bei dieser bestim mt die Lage des Fahrzeugschwer-
punktes hv zusammen mit der akt uellen Verzögerung das zweckmäßige Verhältnis de r
Brem skräft e be ider Achse n.
1r IF.,l,.
Bild 1-8
Skizze zu r Berechnu ng der Bre rnskrat tverteüc nq .
Fv.z.r
Fv .Z.r
"x
Ir+hv-
g.
= ----"-- = Im
"x
Ir -!lv -
g
hv
Achslast verhältnis vorn e/hinten [- J
Abstand Fahrze ugschwer punkt zu
Mitte Vorder- bzw. Hintera chse [m]
Höhe des Fahrzeugschwerpunkts Iml
11.3)
Zur Darstellung dieses Zusammenhangs dient das Verteilungsdiag ramm für die Brems-
kraft tbrake-balance charn, Bitd 1-9. Auf den Koordinatenachs en sind die gewichtsbezo -
genen Bremskräfte von Vorder- u nd Hintera chse F W•X.B
.
f und FW•X
.
B.r aufgetragen. Die
Schnittpunkte der Gerade n gleicher Haftreibungszahl von Verder- und Hinterachse bilden
die Parabel der " idealen" Brem skraftverteilung (Kurven 1 und 2). Die Ge raden konsta nter
Abbremsung z vervollständigen das Diagram m.
Ist kci n Brem skraftverte iler installiert, so ist die Brem sk raftverteil ung fest und stellt eine
Gerade dar (3). Die Steig ung ergibt sich als Verhältnis der durch die Dimen sioni er ung de r
Radb remsen und Bremszylinde r festgelegten Bremskrä fte von Vorder- und Hinterachse.
Solange die Gerade de r festen Verteilung (3) unte rhalb der idealen Verteilun g (I. 2) verläuft.
blockiert stets die Vorderachse zuerst (stabiles Bremsverhalten. d ie Seitenführungskraft an
den Hint erreifen bleibt erhalten) . Der Blockicrpunkt der Vorde rac hse (4) ergibt sich dab ei
als Schnittpunkt von •.installierter Verteilung" (3) und der Gerade n der je weiligen Haftrei-
bungszahl f.lW.X .f '
3981
3 Physikalische Gr undlagen
I
0,'
Bild 1-9
-08
B remskraftverteilung mit fester
_
0,3
--~-"
Aufteilu ng.
1 ideale Bremsk raftve rteilung bei
-
zulässigem Gesamtgew icht
,
; 0,2
2 id eale Bremskraftve rteilung fahrfe r-
tig (mit Fahrer)
•
3 installierte, feste Bremskrattve rtei-
,
•
lung
...
0,1
."
4 Vorderachse block ier t
-0
80
J/WX f bzw. J/w.x .• Haftre ibungszah len
•
in Läng srichtung vorne bzw . h inten
c
°
0,2
0,'
0,6
0,6
Einige Überlegungen zur Wahl ein er festen Bremskraftaufteil ung werden in Bild 1-10 an
Hand von drei extremen Auslegungen veranschaulicht.
Betrachtet werde n niedrige Reibungsverhältnisse (/lw,x = const = OA). Wenn die Abbrcm-
sung z von 0 beginnend bei der festen Aufteilung Ql gesteigert wird, blockieren die Hinter-
räder zuerst (Punkt A), weil/lW.X .r = 0,4 voll ausgenutzt wird (vorne ist ausgenutztes /lw.x .f
< OA). Weiteres Steigern de r Bremsbetätigungskraft füh rt zu r Verzögerung bei Punkt B. An
diesem Punkt blockieren auch die Vorderräder und somit ist keine weitere Steigerung der
Abbremsung mehr möglich . Diese Auslegu ng wird für Mot orräde r angewa ndt.
Bei de r Bremskraftaufteilung Q2überbremsen bei einer Steigerung von z die Vorderrä-
der bis zu m Punkt B. Ab diesem Punkt blockieren alle Räder und somit ist die maximale
Abbremsung z = 0,4 erreicht.
Im Fall der Bremskra ftaufteilung QJ blockieren die Vorderräder im Punkt C. Wird die
Abbremsung weiter erhöht, steigt die Bremskraft an der Hinterach se bis de r Punkt B erreicht
wird. Ab diesem Punkt blockieren auch die Hinterräder und die maximale Verzögerung für
die vorliegende Reibung ist erreicht. Diese Auslegung wird für zweispurige Fah rzeuge ein-
gesetzt.
.,,=0 ,4
0,4
Ja,
/_/Q2
/
,
A/
/
Q"
"•
/
u,
'"
-a,
-
,
"/
"
"
.... ............ z
,
i ;(c
•
u,
!'/
-
~~
'.,
'/,'
~.A~ "' v
"
0
0
0,4
Bild 1-10
Wahl der Bremskraftaulte ilung .
0 , . O 2 , 0 3 feste Bremsk raftaufteilungen
0 ill ideale Bremskrafta ufteilung
0 , w ird für einspur ige und O2für zweispurige
Fahr zeug e verwe ndet.
F. ,X,B,tlFv,z,t [ - ]
1399
I Brem sanlage
Bild 1-11
Verlauf der Brernsverzöqerunq über der
Geschwin digkeit und d azu gehörige id eale
Bremskraftver tei lung eines cormer-t-waqens.
nach [101).
Mit sinke nder Geschwindigkeit nimmt die Verzö -
gerung ab, w eil der Abtrieb mit dem Quadrat der
Geschwindigkeit abn immt und die Reifen nicht
mehr d ie ursp rüng liche B remskraft aufbauen
können.
70~
,50
200
250
300
Geschwi ndigkeit v., [km/h]
--- --- --T
--- ---------T -------"
... ..1 ... _
..... _1
....-.1 __ ....
I
ii_I
I
"-f' - "-': a.
-
·-· -
r--·
_.__.~
.._.~._-_._.:... _,
-
•c
c
o
>
65~
~
•
"c
•
-------r-····-r-·--
60~
-----~--r - -- -
--T---
-
-
-
-
---t---
-
----I--
-
---
~
o+-- - :-- ..;.- - .;..- - ;--
-+55~
100
350 CD
6
Idealerweise ändert sich die Brcmskraftvertcilung während des Bremsm anövers. weilja die
Verzögerung wegen aerody na mische Abtri ebsh ilfe n u nd gesc h wind igkeits ab häng iger Rei-
bungswerte nicht konstant bleibt. Bild 1-11. Im Gegenteil nehmen der Abtrieb und somit die
Reifenkräfte ebenso ab. Bleibt die aerody namische Balance bei der Gesc hwindigkeitsab -
nahme gleich. so muss sich die Bremskraftaufteilung trotzdem wegen de r Achslastverschie-
bung ändern . Tatsächlich sieht die Situat ion etwas ander s aus. weil d ie meisten Fah rzeuge
durch das Nicken beim Bremsen die Abtriebsa ufteilung ändern. Der Frontflügel kommt bei
großer Verzögerung näher zur Fahrbah n und der Abtrieb vorne steigt überproportional an.
Sinkt die Verzögeru ng. sin kt der relative Abtrieb santeil der Vorderachse . Dadurch muss der
Bremskraftanteil vorne bei geringen Geschwindigkeiten stärker abneh men als in Bild I-lI.
Die Fah rer nehmen eine .,Verstellung" der Bremsk raftaufteilu ng während de s Bromse ns
nicht mit dem Drehknopfim Cockpit vor. sondern durch gleichzeitiges Bremsen und Gasgc -
ben. Am besten kann dieser Fahrstil praktiziert werde n. wen n zum Schalten nicht mit dem
Fuß gekuppelt werden muss. Durch Gasgeben während des Brcmscns erhalten die angetrie-
benen Hinterräder ein Gege nmoment zu m Brems mome nt. Dieses wird dadurch klein er und
die Bremskra ft verlage rt sich zur (nicht angetr iebenen) Vorde rachse.
[!'"Stell ung eines Vel'"t ei lu ngsdiagl'"amms de r Br emskräfte.
1. Die Kurve n der idealen Bremskraftverteilung FW•X
•
B•r
= f (FW.X .Bf' hy ) folgen aus GIn.
(1.2) und (1.3) für konstante und gleiche Reibwerte an beiden Achsen:
F W.X. B.f
I IW. X.f
.
FY.Z.f.
FW.X.B.r
FW.X.B.f
=
=Im
-
=
F W.X
.
B.r
IIW.X.f
.
F Y.Z
.
r
F V.Z
.
1
F V.Z
.
1im
2. Die Ge rade n konstanter Abbremsung z FW•X
.
B•r
= f(FW.X .B.f' z) folgen aus GI. (1.1):
Fw.X .IU + FW.X.Il .r
,=
FVJ .1
FV.Z.1
"x
=-
g
FW•X.B•r = ax _ Fw.X•B•f
F V•Z•1
g
F Y•Z•1
(1.4 )
3. Die Ge raden konstanter Haftreibung FBlI = f (Fllv, J.l)ergeben sich zu:
M it FV.Z
.
f +FY.Z
.
r=FV.Z
.
1-
FV.Z
.
f =FyJ.t - FV.Z.r
und umgestellter GI. (1.3) Fy.Z,f = FY.Z
.
r.im
folgt:
(1.5)
3 Physikalische Grundlage n
I
Fy.z.r =~
Fy•Z.\ I+im
u"d
(1.6)
(1.8 )
(1.7)
=z
FY•Z
•
r=--
Fy.z .\ I+im
Aus Gin. (1.1 ) mit (1.2) wird
I/W.X.f
. FY.Z.f+Ilw.x .r .FY.z.r
Fy.z.!
Fy.Z.l
GIn. (1.6) und (1.7) in GI. (1.8)eingesetzt und im mit GI. (1.3) substituiert ergibt einen
Ausd ruck für z:
(1.9 )
_--,I~,,,~·.~X~.,~/~,~+_,~,~w~.X~.~,~Ir_ _
Z ="7
Ir + Ir + hy U1W-Kr - IIW-Kf)
Die für da s Diagramm benötigte n bezogenen Größen der Bremskräfte ergeben sich durch
Einsetzen von Gin . (1.5) in GI. (1.8). Zunächst für die Bremskraft der Vorderachse:
FY/..f
Fy.z .t
z - PW.X.r
IJw.X.f Ilw .x .r
und damit
FW•X •B•f
Fy.z .l
F Y.z.r
= Pwx,---
.
.
F:
Y.Z .!
Die ges uchte bezogene Bremskraft der Hinterachse in Abhängigkeit der Bremskraft an
der Vorderachse folgt daraus mit GI. (1.4):
FW•X.B .r
FW. X .B.f
=z-
Fy.z.!
Fv.z.\
Die Pu nkte de r Geraden konsta nter Reib ung aufden Koordinatenachsen des Diagramms
entsprechen den beide n Extremfällen. wenn nur eine Achse allei ne brem st
Bremsung nur hinten ;
Bremsung nu r vorne;
FW.X.Il.r
Fy.z .!
IJW.X.r Ir
= z =:-:-;--='-'----;--
If+Ir+Ilw.x .rhv
FW.X.ll .f
Fv.z.!
=z=
l/w.x.f Ir
If + Ir IIW.X.f hv
4. Die Geraden, die eine konstante Bremskraft ver teilung beschreiben. folgen zu:
$r
$r
FW.X.B.r = €Pr FW.x
.
ß.f = 1- $ r FW.X.B.f
Einige Rennfahrze uge nutzen auch eine Verstellung der Bremsk räfte link s z u rechts. So
wird das hintere kurveninnere Rad stärker bei der Kurveneinfahrt gebremst. damit in engen
Kurven das Einlenken verbessert wird. In der Formel 1 ist diese Möglichkeit im Gegensatz
zu ande ren Ren nserien verbote n. Der Nutze n ist nicht zuletzt wege n der erhöhten A nforde -
run gen an den Fahrer umstr itten [113).
1401
I Brems anlage
Bremskraftregelungen zur Vermeidu ng des Bioeklerens de r Räder (ASS, s. A nha ng) werden
im Renns port kaum eingesetzt. Auf welligen Unter gr ünden führ en Radlastschwa nk ungen
z u einer Verlänger ung des Bremswegs. Derzeitige AS S-Einrichtu ngen verstärken diesen
Effekt. indem sie auf Entlast ungsphasen des Rades zu träge mit Zurücknahme der Brems-
kraft reagieren. Bei Serienfah rzeugen war das Entwic klungsziel auch nicht ei ne Optimie-
rung des Bremswegs, sondern die Aufrechterhaltung der Lcnkbarkcit beim Bremsen.
Die optimale Bremskra ftvert eilung hängt durch die Schwerp unkthöhe auch davon ab, ob
das Fahrz eug be rga uf oder bergab fah rt, d. h. die optima le Einstellung in der Ebene passt
nicht für geneigte Fah rbahnen.
Ein wic htiger Aspekt bei der Bremskmftau ftei lung ist ebenfall s die Erhaltung der Fahr-
stabilit ät. ln Tab elle 1·2 sind Maßnah me n z ur Stabilitätse rhöhung bei m Bre msen aufgeli-
stet. Dabei wird nach de m Fahrz ustand Bremsen in der Kurve sowie unterschiedliche Reib -
werte link s und rechts unterschi eden . Nicht alle Maßnah men erweis en sich als gleicher-
maßen günstig. Während beim Bremse n in de r Kurve die entscheidenden kurvenä ußeren
Räder das Fahrzeug nach außen lenken sollen, sollen bei unte rschiedliche n Reibwerten die
wichtigeren Reifen - das sindjene aufder Seite mit mehr Grip - vorne zur Seite mit weniger
Reibung und hint en z ur Seite mit mehr Reibung lenke n. Zwei Merkmale zeigen sich d abei
jedoc h " ko mpromisslos" günstig; Nied riger Fahrzeugschwerp unkt und hohcr Brem skr aft-
anteil an de r Vorderachse.
Tab . 1 ·2 Ma ßnahmen zu r Stab ilitätse rhöhung beim B remsen in Kurven und bei un terschiedlichen
Reibwer ten links und rechts [116].
Maßnahm e, M erkmat
Na chs p ur unter Bremskraft vorn
Nachsp ur unter Bremskraft hinten
Nachsp ur beim Eintedern vorn
negativer Lenkrollradi us
niedriger Fah rz eug sch werp u nkt
rone r B remskraf tanteil an der Vorderachse
hohe Un terste uerrese rve
beim Brem sen in bei unterschiedlichen Reib-
der Kurve
werten links und rec hts
ABS mi t select tow an de r Hinte rachse
ABS mi t G iermomentenbeeinflussung
ABS 1) mit CBC/ABS+
ESP' )
,"
+"
,"
,"
Legende:
+ günstig. - ungünstig. 0 kein oder geringe r Einfluss, • bewir kt B remswegve rlängerung
1) sieh e Anhang
3 Physikalische Grundlagen
Kon st ruktive Realisierung d e r Bremskratraurteüung vorn e zu hinten ways to set up the
bias ofeffo rt betwee n front and rear brakes. Die gewün schte Brem skraftauftei lung kann
aufunterschiedlic he A rten rea lisiert werde n, wenn ei ne ll-Auft eil ung der Brem skreise (vgl.
Bild 1-15) vorliegt [1 13]:
a) Unterschiedliche Radbr em szylind erdur eh messer erze ugen unterschied liche Brem sk räf-
te bei gleichem Hauptbremszylinderdur chm csscr. Diese Art ist bei Rennfah rzeugen z u
bevorzugen. Die Nchmerzylinderdurchmcssc r sind an der Vorderachse größer als an der
Hinterachse bzw. die Bremsza ngen an der Vorderachse weisen mehr Kolben auf. Damit
sind die Bremskräfte vorne größer als hinten.
b) Unterschiedliche Hauptbremszylinder bewirken bei gleichen Radb rem szyli nde rn zwa r
im Gru nde das Gleiche, führen aber zu unterschiedlichen Kolbenwegen in den Geberzy-
linde rn , di e vom Betätigungsgestä nge ausgeg lichen werde n müssen. Der Hauptbremszy-
linder für die Vorderachse muss einen kleineren Durchmesser aufweisen als jener für die
Hinterachse. Bei gleicher Pedalkraft ist somit der Druck an den vorderen Bremszangen
größer als an den hinteren.
c) Größere Scheibendurchmesse r führen zugrößeren Bremskräften bei sonst unverändert en
Parametern . Eine größere Bremsscheibe hat auch de n Vorteil einer größeren wärmeab-
führenden Fläche. So werden die Brem sscheiben an der Vorderachse g rößer ausgeführt
als an der Hinterachse.
d] Eine mechanische Aufteilurig der Betätigungskräfte ermöglicht unterschiedliche Brems-
kräftc. Dies wird z. B. durch ein Waagebalk ens ystem realisiert (siehe unte n) und für
die Feineinst ellung während der Fahrt verwendet. Bei Ände rung de r Wetterverhältnisse
kann der Fahrer ohne Boxenstopp die Bremskraft zur Hinterachse verlagern und ein
Überbre mse n der Vorderräder aufnas ser Strecke vermeide n.
e) Die Bremskraft kann du rch ein Druckb egrenzungsventil in de r Bremsleitung begren zt
werden. Ein solches Ventil in de r Zuleitung zu den Radbremszylindern der Hinterach-
se lim itiert de n maximalen Betätigu ngsdru ck in di eser Leitu ng auf einen bestimmten
Wert ohne den Betätigungsdruck an der Vorderachse zu beeinflu ssen (siehe Abschnitt 6).
Das Betätigu ngsdru ckverhältnis vorne zu hint en kann auch in Abhängigkeit vom Druck
selbst und/ode r von der Achslast verände rt werden (siehe Absch nitt 6).
waagebatkensyst em balance bur. Dieses System der Bre mskr aftauftei lung ist weit ve r-
breitet und findet sich in prak tisch allen Rennklassen. Das Prin zip ist in Bild 1-12 darge-
stellt. Die Bilder D-2X und 0-29 bieten eine Übersicht über die Einbau situation mit dem
Bremspedal. Das Bremspedal (I) überträgt die Fußkraft über eine Hülse auf den Waagebal-
ken (2). An dessen Gewindeenden befinden sich Drehzapfen. die die Kolbenstangen auf-
nehmen . Jeweils ein Hauptbremszylinder (3) wi rd von einer Kolbenstange betätigt. Wird
der Wagebalken gedreht, wandert er entlang seiner Achse, weil die Drehzapfen ein Mutter-
gewinde aufweisen. Dadu rch ändert sieh das Hebelverhältnis zwischen den Kolbenstangen.
Eine flexible Welle führt von einer Aufnahme des Waagebalkens zum Fahrerplatz. von wo
das Dreh en ei nfach durchg efü hrt werde n ka nn.
Das Maß a z wischen den beiden Hauptbremszylind ern muss identisch sein mit dem Maß
zwischen den beiden Drehpunkt en der Drehzapfen. Der Waagebalken muss bei allen Ped al-
stellungen in einer parallel en Ebene zu den Bremszylindern liegen.
I
1403
I Brem sanlage
dPi,t1,f r
a
b
a
hinten
Bi ld 1-12 Prinzip eines waaqebejkensystems.
a symmetrische Kraftaufteilung b jlb, - 1, b Waageba lken verschoben, b1lb, < 1
1 B remspedal brake pedal
2 Waagebalken balance bar
3 Hauptbremszylin der vorne bzw. h int en brake master cy/inder
Beim Bremse n wird die Fußkraft über das Pedal auf die Kraft FRd übersetzt, die auf den
Waagebalke n wirkt (vgl. Bild 1-1l~). Ocr Balken teilt die Kraft FRd über das Längenverhält-
nis bfl b, in die Kolbenstangen kräfte auf:
b,
!C" r =!C'd---
r,
I+I
'r
'r
b,.
!Ce = !C'd ---
r.r
b+b
r
r
Kraft vom Bremspedal auf den Waage balken [N]
Abstä nde des Gele nklagc rs von den Drehzapfen
vorne bz w. hinten [mm]. siehe Bild [-12 .
Esgilt:hf+hr= a '"const.
Tabelle 1-3 führt die Auswirkungen ei nes Waagebalken s an Hand ei nes Zahle nbeispie ls für
Bild [-1 2 vor.
Tab.1
-3
Wirk ung eines Waagebalkens
Stellung
F"
b.
b,
Fpr,1
r-;
d p1,h,1
d P1,h ,r
P hyd<,f Phyd<,<
Waagebalken
[NI [mm] [NI (mm] (bar]
a
130 0
30
30
750
750
17.8
19,1
30
26
b
130 0
25
35
758
542
17.8
19.1
30.5
18,9
An Rennfah rzeuge n werden besonde rs hohe A nfo rderungen a n d ie Brem sen ges tellt , wenn-
gleich unterschiedli che Strecken die Bremsen unterschiedlich bean spruchen. Die Piste von
Monlreal beispielsweise stellt die höchsten A nforderu ngen an die Bremsen bei Formel-l-
Fahrzeugen. Aufdiesem Kurs sind insgesamt sechs Vollbre msungen von ca . 300 - 320 km/h
auf 60-80 km/h auszuführen und das in einem Absta nd von nur etwa 4,5 Seku nden. Das
führt mitunter zu Brüchen von Bremsscheibe n. Bild 1·13 zeigt die entsprechenden Werte
404 1
4 Bremsenbauarten und Anordn ungen
I
5
.... j
..... . 1
......•
...... j
.
,
...........•
•
········· · · 1
4
..;
.
i.~
.
....;
.
···········Pi·····~~
•
.;
.
.1..
.
.,.
3
t [5I
2
Zeit
"v"'":"}"
............,
.
········ ····i·······
~~=., .
1
o
Bil d 1-13 Zeitlicher Verlauf einiger Größen bei einer Vollbremsung. nach (1 14).
Messwerte einer B remsung eines rcrmer-t -wacene von 300 auf 60 kmlh auf dem Kurs in Momrear
Diese Brems ung ist d ie fünfte von insgesamt sechs Vollbremsunge n auf d ieser Rundstrecke.
über der Zeit für die fünfte Brem sung aufdiesem Kurs. Dabei steigt die Betriebstemperatur
der Bremsscheibe innerhalb von nur 1,5 Sekunden von ctwa 450 "C auf einen Spitzenwert
von über 1000 "C. Nach einer Sekunde stabilisiert sie sich etwa fünf Sekunden lang bei
700 "C. Beeindruckend sind auch die Verzögerungswerte, denen die Fahrer au sgesetzt sind.
In wenig mehr als einer Sekunde ändern sie sich von +0,8 g auf -3g.
4 Bremsenbauarten und Anordnungen
Brake eonstruetions and arrangements
Trommelbrem se drum hrake. Diese Bauart ist nur noch für historische Fahrzeuge von
Bedeutung. Selbst bei Pkw wird sie nur noch an der Hinterachse bei Fahrzeugen des unteren
Preissegments verb aut ode r als Fests tellb re mse al s zu sätzliche Duo- Ser vo-Trommelbrem-
sen in der Scheibe der Betriebsscheibenbremse.
Die Trommelbremse erzeugt die Bremskräfte an der inneren Oberfläche einer Brem-
strommcl. Je nach Bauart tritt Selbstvers tä rkung in einer auflaufenden Backe (Simplex-
Bremse) oder in beid en Backen abhängig (Duplex-Bremse) oder unabhängig (Duo-Duplex-
Bremse) von der Drehrichtung ein . Bei Servobremsen wird eine sehr große Selbstverstär-
kung erreicht. Ein Nachteil der Selbstverst ärk urig ist die unerwü nschte g roße Abhängigkeit
des Bre msenke n nwert es (vg!. Bild 1-16).
140 5
I Brems anlage
Ocr Reibwert zwischen Bremsbelag und Bremstromm el hängt von der Temperat ur, Flä-
ehenpress e ng. Luftfeuchtigkeit und Reibgeschwindigkeit ab. Zwei ablaufende Backen erge-
ben eine geri nge Abhängigkeit des Bremsenken nwerts vom Reibwert. Ge nerell ist die Kon-
stanz der Belagqualität kritisch. Darüber hinaus führt eine Erwärmu ng zu einer kcgclför-
migen Verformung der anfänglich zylindc rför migcn Brem sflache der Trommel, wodurch
die Bremsbeläge nicht mehr vollfl ächig aufliegen. Die Wärmeabfuhr dieser prinz ipbedingt
gesc hlosse nen Bauweise stellt ebenso ei n großes Problem dar.
Tab 1- 4 Techn ische Daten vo n Tromme lbremsen
Anl agedru ck
verdruck 0.5 b is 1.2 ba r, Bremseruck b is 100 bar
Reib w ert l's
0.3 ors 0,4
Lüftsp iel
0.3 bis 0,5 mm
Spannkraft IPkw:ca. 4 kN
Sche ibe nbre mse disc brake . Die Reibwerte zw ischen Bremsbelag und Scheibe schwanken
weniger als bei de r Trommelbremse.
Wege n des kleineren Kennwertes C treten hohe Zuspannkräfte gegenüber einer Trom -
molbremse auf. Wcnn der Sattel ode r die Scheibe a xial verschiebbar ist, ist nur ein Kolben
nötig, Hild 1-1 4.
C// ~ ~'A--;
+..
.: '-
-
-.
3
..
.
H
4
»>:
a
~: --
b
Bild 1-14
Bauarten vo n Sche ibenbremse n.
a Festsattelscheibenbremse
fixed -caliper disc brake
b Paustsattel-Sc heibenb rem se
floating -caliper di sc brake
1 Bremsz ange brake caliper
2 B remsbe lag brake pad
3 Ko lben piston
4 B remssche ibe brake atsc
5 Träge r carrier
Die Pfeile zeigen d ie hydrau lischen Ansch lüsse .
Tab 1- 5 Tec hn isch e Daten von Sche ibenb remsen
Anlag ed ruck
Vordruc k Ob is 0,5 bar, Bremsdruck bis 150 bar
Reibw ert I/s
Pkw: 0.35 bis 0,5. im Mittel: 0.38 [104], Rennspo rt: 0,42 bis 0.62 [108]
Sc he ibensc h lag
rrex.o .t m m
Lüftspiel (5. Bild I -58)
ca. 0,15 mm je Seite
Sp ann kra ft
Pkw: ca. 15 kN
Fläch en pre s su ng Pmlll"l
bis 600 N/mm2
spez ifisc he Belagl eistung
bis 3,3 kW/cm2
PS"lag
5 Kennwerte
I
,
•
n · Auft eilung
b
X·A uf teilung
c
HI ·A ufteilun g
a
a
Fahrtrichtung
-
d
LL-Auf t eilung
e
HH - Auft eilung
Bil d 1-15 Varianten d er Brernskr elsauf teäunq.
1 Br emsk reis 1 brake circuit
2 Brem skreis 2
Bre ms k re isa ufte ilu ng hrake-circuit configuru tion , Die gese tz liche n Vorschr ifte n fo rder n
eine zwcik rcisigc Übertrag ungseinrichtung an Serienfahrz eugen. Aueh für Ren nfah rzeuge
verlangen die Reglements im Allgemeinen mehr als einen Bremskreis. Die fünf grundsätz-
lichen Möglichkeiten nach DIN 74 000 zeigt das Bild 1-15.
Die 11 - und die X-Aufteilung haben sich durchgesetzt. Bei einem Minimalaufwand an
Leit ungen. Schlä uchen, lösba ren A nschlüsse n und stat ische n bz w. dyna mischen Dich -
tungen sind sie hinsichtlich des Ausfallrisikos dureh Leckagen mit einem ci nkr cisigcn
Bremssystem vergleichbar. Die Kombination X-Aufteilung und negativer Lenk rollradius
an der Vorderachse stabilisiert das Fahrze ug bei Ausfall eines Bremskr eises d urch "Gegen-
lenken" hervorgerufen durch die einseitige Bremsk raft am Reifen . Bei Bremskreisausfall
infolgc thermi scher Überbeanspruchung einer hydraulischen Radb remse sind insbesondere
die Aufteilungen HI, LL und HH kritisch, weil ein Ausfall beider Radbremsen an einem
Rad zu einem Totalausfall der Bremse führen kann. Um die gesetzlichen Vorschriften hin-
sichtlich der Hilfsbrcm swirkun g z u erfüllen , werden frontlastige Fah rzeuge mit der X-Auf-
teilung ausgerüstet. Die ll-Auftcilu ng eignet sich vorzugsweise fiir hecklustige Fah rze uge
sowie mittlere und schwere Nutz fahrze uge. Bei Rennfahrzeugen wird diese Art der Auf-
teilung ebenso gerne ei ngesetzt, weil sie eine ei nfache Verstellung de r Brem skräfte vorne
zu hinten erlaubt. In einigen Ren nsportserien wird diese Aufteilung vom Reglement soga r
vorgeschrieben, so z. B. in der Formel I.
5 Kennwerte Param eters
Bre msenke nnwert und Reibung. Der Bremskennwer t stellt das Verhältnis der erzielten
Bremskra ft an der Brem se zur aufgewa ndten Spannkra ft dar:
J.
_
F ß d,1an
'8 ----
FIkl .ax
kB
F ßd. tan
F Bd.ax
Bremsenk ennwert 1- ]
Umfangskraft am Bremstromm elradius bzw, -sc hcibc IN]
Spannkr aft der Brem sbacken bzw. -bclägc [N]
1407
I Brems anlage
12
-
10
"~8
"•,
6
e
<
•
•4
<
•
•E2
•
"•0
0
0,2
0,4 0,6
Reibbeiwe r t 11 .
0,8 1,0
[.)
Bild 1-16
Bremsen kenn ung als Funktion des Reibw ert s.
1 Trommelb remse auflaufende Backe
drum brake leading sroe
2 Scheibenb remse dnc brake
3 Trommelb remse abla ufende Backe
drum br a/(e frai/ing shoe
Il B Reibung zwischen Bremsbelag und Ge -
genläufer
Durch Reibungs. und Selbstverstärkungseinflüsse ist der Kennwert nicht konstant sondern
ändert sich mit der Reibung, Bitd 1-16.
Die Reibung hä ngt zunäc hst gr unds ätzlich von der Werkstoffpa aru ng Brc rnssc hcib c/,
belag ab. Ocr Reibwert ist alle rdings nicht konsta nt, sond ern sta rk von Gleitgeschwindigkeit
und Temperatur abhängig, vgL Bild 1-40. Darin ist der Verlaufdes Reibu ngskoeffizienten für
einen organischen u nd für einen Karbonbremsbelag über der Geschwindigkeit aufgetragen.
Ein Karbonb elag erzeugt viel mehr ..Biss" (Brcmslcistung zu Beginn der Brcmsung) als
der orga nische Belag. Bei organischen Belägen ni mmt zwar der Reibwert mit ab nehmender
Geschwindigkeit, also wenn das Fahrzeug durch das Bremsen langsamer wird, zu , Karbon-
beläge bleiben abe r in ihrer Wirkung gleich mäßiger und erleichte rn somit de m Fahrer die
Kontrolle de s Bre msvorga ngs. Dies ist entscheidend, weil sich ja die Achslastverteilung mit
der Bremsverzögerung ändert .
Kräfte forces. Die Betätigu ngsk räfte zu m Bremsen sollen nicht zu hoch sein, weil der
Fahrer so nst rascher ermüdet oder es ga r nicht schafft die volle Brem skraft aufzubaue n.
Andererseit s ka nn Gewicht gespart wer de n, we n n kei ne zu sät zli chen Hilfsei nri cht ungen
zu r Verstä rku ng der Betätigungsk räft e installie rt werden. Tabelle 1-6 gibt Anha ltswert e
für maximale Betätigungsk räfte.
Tab. 1
- 6 Zulässige Betätig ungskräfte in N für Serienfahrzeuge [1 03].
Fahrzeugklasse
Betriebsbremse
Feststellbremse
Handkr aft Fußkraft Handk raft Fußkraft
Pkw
K raftrad
s 200
$ 500
::;500
$ 400
$ 500
Bei Einsitzer-Rennfahrzeugen liegen mitt lere Pedalbetätigu ngskräfte bei m Brem sen bei
700 bis 900 N [115). Für Vollbremsungen in Formel-I -Fahrzeugen sind Fußkräfte von etwa
1500 N erforderlich, weil keine Bre msk raftv erstärk er erlaubt sind [117].
Als maximale Betät igungskraft zur Auslegung von Bauteilen ka nn man 2000 N anneh -
men.
40s 1
5 Kennwerte
Übersetzungen in der Bremsbetätigung brake actuation teverage. Die Pedalkraft und die
Spannkra ft eines Nchmcrzylindcrs hängen über die Geom etrie wie folgt zusammen.
I
Fj'r=Fr.'I
'l
Fr,
I'hyd =--
Al'i .h
Fp,
Fp
1'1' "2
Phyd
A pLh
A pi•W
Fl'i .w
Kolben stangenkr aft [N ]. s iehe auch lJild 1-17
Pedalk raft (Fußkraft des Fahrers) [N]
Hebellängen [mm ], Werte s iehe Kapite l D Cockp it
Bremsflüssigkeitsdruck [N/mm2] (1N/mm2 '" 10bar)
Kolbenfläche Hauptzylind er [mm-]
Kolbe nflüche Radzylinde r (Brcmszang c) [mm - ]
Spannkraft des Kolbens im Rad zylinder [N]
L
Bil d 1-17
Kraftübersetzungen ei n er hyd raul isch en
Bremsbetät ig ung .
Aus der Fußkraft Fp wi rd übe r mechan i -
sche und hydraulisch e Übersetzung die
Spannkraft des Radbremszylinders Fp,.
w.
Durch das Verschieben der Brem sflüssigkeit beim Bewegen der Brem sbeläge zum Anlegen
an d ie Bremsscheiben ergibt sich ein Weg des Kolbens im Hauptbremszylinder bzw. über
die Ped alü be rse tzu ng der Pedalweg.
.
.
AJ'LW
'~PLh = )11 •)Pi.W -A--sPi.W
PLh
'1
sp = sPLh-
"
sr'i.h Weg des Kolbens im Hauptbre mszy linder [mm]
ja Anzahl der Bremszangen. die vom Haupt-
bremszyli nde r verso rgt werd en l-l
jl'i.W Anzahl der Kolben in einer Bremszange (-]
sPiW Weg de s Kolbens im Radbrem szylinder
(Brcmszangc ) [rnm]
sI'
Pedalweg [mm]
Tatsächlich wird der Weg länger als dieser Werte sein. hervorgerufen durch Kompressibili-
tät der Brem sflüssigkeit und Elastizi tätcn im ges amte n Übert rag ungssystem.
1409
I Brem sanlage
Bremskran verst ärk ung brake boosüng. Wirkt zw ischen Pedal und Hauptbremszylinde r
ein Bremskraftverstärker. so kommt dessen Hilfswirkung noch zu der über das Bremspedal
vergrößerten Kraft hinzu.
ßp=P2- "1
Druckstangenk raft [N]. siehe auch Bild 1-18
Membra nkraft des Bremsgeräts [N]
Membranfläche des Bremsgeräts. Membran -
durchmess er bis 250 mm
Druckdifferenz auf Membran wirkend [N/mm1]
fl[}ist max. n,osN/mm2 (0,8 bar)
~".\
F"
F..
--=
~
f:.
"
lp,
p,
~
Bild 1-18
Bremskraftverstärker, schema-
tisch,
Die Druc kdi fferenz a uf d ie Mem-
bran wirkt über die Membran -
fläche A BG als Hilfs kraft FBG zur
Stangen kraft F Rd o
Kräfte an der Brem se. Mit dem erzeugten hydraulischen Druck in der Bremsleitung folgen
die Kräfte an der Bremsscheibe zu:
FBd.tan = 2PBdJ o' F pLW
FBd.tan Bremskraft an der Bremsscheibe (N].
siehe auch Bild 1-19
Jl Bd.lo Gleit reib wert z wischen Bremsscheib e
und -bclag [-I
Bremsmoment [NmJ
Glei tg eschwin digk eit [m fs]
m ittlere Belagflächenpressung [Nfmm 2J
Anzahl der Beläge [- J
wi rksa me Bcla gffächc lm mq
Drehfrequenz der Bremsscheibe (s -IJ
Kräfte am Rad. Mit den Kräfte n an der Bremsscheibe ergibt sich schließlich die Brems-
kraft am Rad :
F W•X•b
'm
Bremskra ft am Reifenumfang [N]. siehe auch Bild 1-20
wirksam er. mittlerer Reibradius [mm]
dynamischer Reifem oll radi us [mm]
äußerer bzw. innerer Durchme sser de r vom Bremsbelag
überstrichenen Fläche auf der Bremsscheibe [mm]
5 Kennwerte
I
F <w'"
Bild 1· 19
Kräfte an der Bremsscheibe.
Der hydra ul ische le ilungsdruckp ~ w ird
über d ie Kolben im Radbremszylinder zu r
Kolben kraf t FPi•w und über die Reib ung
zur Bremskraft FSd,tan an der Scheibe.
Vv
=
FBd,tan
t/f:.v-i:-",\ \C--\~ 0
-0 1-0
&B
rm
. -t-- tte'l
c
~
-c
L
/F //
W,X,b
r,z
,
Bild 1-2 0
Kräfte am Rad beim Bremsen.
vv Fahrzeug geschwindigkeit
FW.KhJo.max = .uW'x'lo · Fw.z
Die übertragbare Bremskraft des Reifens hängt noch davon ab, ob er rotiert oder blockiert:
Fürdas drehende FW,X.b,max = j1w ,x • Fw.z
Jlw.x
Haftreib we rt zw ische n Reife n
Rad g ilt:
und Fahrb ahn
Fw.z Radaufstandskraft
JIW,X,10 Gleitreibwert z wische n Reifen
und Fahrb ahn
für das blockie-
rende Rad gilt:
Fläc he n arcas. Aus der spez ifischen Brem sleistu ng N lassen sich g rob di e nötigen Flächen
für Belag und Scheibe ermittel n.
A
_
PU.W.max
Belag - 2N Belag
A
PIJ.W.max
Bd=
N",
N
P H.W.rnax
Aßdag
AIlt!
sp ezifische Bre msleist u ng b ei eine r Vollverzögeru ng
aus der Höchstgeschw indigkeit pro Bremse [kW/em2]
max. Brem sleistu ng pro Rad lkW]
Reibfläche ein es Bre msbelags [em 2]
überstri ch ene Bremsscheibe nfläch e [cm2]
Von Se rienfahrze ugen werde n folgende spez ifische Brem sleistu ngen erreicht [116]:
Nßelag ~ 2,4 bis 3.3 kW/cm2, NIlt! '" (J,45 bis 0,60 kW/cm2
I Brem sanlage
w ärm ehau shalt heut batance. Ca . 90% der Bremsleistung werde n von der Bremsscheibe
aufgenomm en und an die Umgebungsluft abgeführt [105]. d . h. der Wärmehaushalt wird
hauptsächlich über die Ausleg ung de r Bremsscheibe n ge regelt. Größere und schwerere
Bremsscheiben haben mehr Wärmcspcichc rkapazität und sind da mit besser in de r Lage die
kinetische Energie des Fahrzeuges aufzunehmen[1 16]. Nicht unerwähnt darfin dem Zusam-
menhang bleiben, dass bei einer Brcmsung mit blockierten Rädern die gesamte Bewegu ngs-
energie von den Reifen und nicht von der Bremsanlage aufgenommen wird [105].
Das Kühlsystem für die Bremsanlage muss nicht für die mögliche maximal anfallende
Wär memenge ausgelegt werde n, sondern es genügt ei ne Auslegung auf die mittlere Wär me
wege n des Speicherve rmögens auf Grund der Bauteilm assen. Trotzdem dürfen bei extre-
men Einzelbre ms ungen die kritischen Temperature n von Scheiben oder Belägen nicht über-
schritten werden. Bei der Gestaltung von Luftkanälen zu den Scheibe n und Bremszangen
muss auf die umgebende Luftströmung Rücksicht genommen werden , da mit der erwü nschte
Abtrieb nicht gestört wird. lm Idealfall verlässt die gesamte Kühlluft das Rad an dessen
Außenseite. Die Luftgeschwindigkeit quer durch das Rad liegt im Bereich 20 bis J o % der
Geschwindigkeit, mit der das Fahrzeug engest römt wird [108] .
Die Wärmeabfuhr wird zur Leistungssteigerung von Bremsanlagen durch folgende Maß-
nahm en erhöht;
Lochen. Nuten der Bremsscheiben.
innenb elüftet e Sche ibe n.
Zufuhr von Kühlluft durch Schläuche oder Kanä le.
Die durch den Wärmea nfall hervorgerufene Temperature rhöhung der Bremsscheibe bei
einer Bremsung ergibt sich zu;
0,9 WB.lld
. 6Tlll1 =
mBd •Cp.Bd
. 6TBd
WB,lid
m ild
Cp. Bd
Temperature rhöhung der Bremsscheibe [K]
Bre msarbeit pro Scheibe [J]
Masse de r Brems scheibe [kg]
spez ifische Wärmeka pa zität des Scheiben we rkstoffes
[J/(kgK))
Temper atur en konventioneller (Stahl-)Bremsscheiben können bis zu 700 "C erreichen. Wei -
tere Richtgrößen von Ausleg ungste mperature n sind in T abell e 1-7 zusammengefasst.
Tab. I -7 Maßgeblich e Richtgrö ßen für d ie thermische Auslegung von Serienbremsanlagen [116].
Kri t erium
B remssche iben-Oberllachentem pe ratu r
B remsf lü ssigke its -Tempe ratu r Passabfah rt
Bremsflüssigkeits-Temp erat ur Hochleistung sstopps
B elaq rücken platten-Temoeratur
Kr it isc h e Temperaturen beim Einsat z von Aluminiumleg ierungen
Kr it isc h e Temp eratur en für Bremss chla uch e
Ziel wert [OC]
< 600
< 180
<1 80
< 400
< 180
< 150
Die Wärme leitfähigkeit de r Luft A. -
0.0242 J/m s K ist fü r die Wärmeabtuhr von Bedeutung [105].
6 Baut eile von Bremsanlagen
I
6 Bauteile von Bremsanlagen
Parts ot braking systems
Fu ßhebel pedat, Die Bremskra ft der Betriebsbre mse
wird mit dem Fuß auf das Pedal aufgebracht. Dieses
übersetzt d ie Kraft a uf die Kolbens langenkraft (Bild
1-1 7) des Hauptbremszylinders bzw. teilt die Kraft
über einen Waagebalken auf zwei Kolbenstangen auf
(Bild 1-12). Die Ges talt ung von Fußhebelwe rken ist in
Absc hn itt D 5 Fußhebelwerk und Pe dale besc hriebe n.
Tab. 1 - 8 Ke nnwerte von Bremsf lüssi gkeiten
(vgl. ISO 4925) (103J.
Wert
max.10 %
90-140 -c
ca. 1.13 kg/l
140- 180 °C
205-260 °C
900-1800 mm e/s
Fl ammpunkt
Gummiq uellung
hohe Aggress ivität
gegen Lacke
Nass siedep unkt
(mitca. 3.5 % Wasser)
Kä ltevis kos ität (bei _40°C)
Br emsflü ssigk eit bralce flu id. Die Bremsflüssigke it ist da s Medium fü r die Enc rg icübc r-
tragung zwischen Hauptbremszylinder, gegebenenfal ls hydraulischer Rcgelcm hcü , und den
Radbremsen. Zusätz lich hat sie die Aufgabe , bewegte Teile wie z. B. Dichtungen, Kolben
und Ventile zu sch mieren und vor Korrosion zu schützen.
Bremsflüssigkeit muss a ueh bei t iefste n
Temperaturen (bis zu - 40 "C) eine mög-
lichst geri nge Viskosit ä t haben, u m sowoh l
ei n g utes A nsprcc h- u nd Löseverhalte n de r oE_;cg_e_" _" _h
_'_' _'
--=
Bremsen als auch eine g ute Funktion der Dichte
elek tronische n Regelsy stem e z u c rmög ll- -------------------
ehen. Darüber hi naus muss die Bremsflüs-
sig keit e ine mög l ichst hoh e Siede te mperatur Tr oc kensiedepunkt
(boiling poin t) aufweisen , d amit es selbst ------------------------------------------
bei stärkste r thermischer Belastung der
Bremsanlage nicht zu r Dampfblasenbildu ng
kommt . Die Kompres sibilität vo n Dampf-
blasen wü rde dazu führen , da ss wegen des
begrenzten Fördcrvolumcn s des Tandem-
Hauptzylind ers kein ausreichende r Druck
mehr aufgebaut werden kann,
hoch gift ig
Konventionell e Brem sflüs sigk eit en . Sie
basieren auf Polyg lykolen sow ie Polygl y-
kolcthern und sind hyg roskopisch, d. h . sie
nehme n Wasser auf und binden es. So wird
ve r m iede n, dass einged rungenes Wa sser
ungelöst bleibt und bei m Siede n Dam pfb la-
sen bilden ka nn. Zahl reiche intern ationale
Normen, z. B. DOT3, DOT4, DOT5.1, for-
dern für die mit Wasser angereicherte Brems-
flüssig keit eine mög lichst hohe sogenannte
"Nasss iedete mpe ratur", Bi ld 1-21.
o
o
300
L
:::I 250
•L
~ 200
E
~ 150
•
u
.~ 100
~
o
1
2
3
4
Wasserant e il (\1
Bild 1-21 Siedeverhalten von Bremsf lüssig keiten.
I Brems anlage
Sütkcnbremsü üsstgk etten siiicon base dfiuid. Diese werde n im Rennsport eingesetzt. Ihre
Eigenschaften leh nen sich an DOT5 an. Sie basieren auf hydrophobem Silikonöl, das nur
Spuren von Wasser aufneh men kann. Eventuell vorhande nes ungelöstes Wasser kann u. U.
siede n (Dampfbla scnbild ung. s .o.) oder zu Korrosion von Bauteilen führen. Die Kompres-
sibilität und die Menge an gelöster, u. U. ausgase nder Luft ist bei Silikonbremsflüssigkeiten
höher als bei konventionellen Bremsflüssigkeiten. Für höhere Bremsentemperaturen (z. B.
Carbo n-Brcrnsschcibcn) werde n spezielle Flüssigkeiten mit Trockensiedepunkt bei 310 "C
eingesetzt [109].
Behälter fluid reservoir. Ocr Ausg leichbehälter für die Bremsflüssigkeit ist von oben in
den Tandem- Hauptzylinder mittel s sogenannter .,Behälterstopfen" eingeknüpft und wird
üblicherweise durch eine weitere Befestigung mit dem Tande m- Hauptzylinder verbunden,
um höhere Drücke bei der Befüllung am Fließband zu ermög lichen und bei einem Unfall
zu gewährleisten, da ss die brennbare Brem sflüssigk eit nicht austreten kan n. Bei einfachen
Hauptbremszylindern ist er- entweder dir ekt eingeschraubt oder er wird obe rhalb des Brems-
zylindc rs an einer geeigneten Stelle mit einer Schelle am Rahm en befestigt.
Der Ausgleichsbehälter hat folgende Aufgabe n:
er dient als Speicher für das Verschlei ßvolumen der Bremsbeläge,
er gewährleistet den Volumenausg leich innerhalb der Bremsanlage unter verschiedenen
Umgebungsbeding unge n,
er trennt bei absinkcndcm Pegelstand die Hauptzylinde rkreise eines Tandemhauptbrems -
a ylin dc rs.
Um sicherzus tellen, dass die Bremsanlage in Lösestellu ng drucklos ist, ist der Behälterin-
nenra um über die Behälterverschraubu ng mit der Atmosphäre verbunden. Dies erfolgt ent-
weder über ein Labyrinth im Behälte rdeckel oder eine ges chlitz te Membrane. di e im Deckel
integriert ist. Bei Renn fah rzeugen wird zusätzlich ein Schläuchchen mit dem Deckel ver-
bund en und nach oben geführt .
Im Behälter befindet sich meist ein unlöslicher Schaumstoff, damit die Bewegung der
Bremsflüssigk eit durch die extre men Fahrmanöver in Grenze n gehalten wird [115]. Eine
andere Möglichkeit ist, einen Balg einzusetzen. Dieser verhindert auch das Eindringen von
Schmutz.
Behältervelu mina liegen in der Größe nordnung von ca. 60 bis 300 cm'. Typische
Anschl ussgewinde z um Brem szyl inde r sind Ml 2 ode r 7116" UN F.
Bild 1-22
Behä lter fü r Eotachbremszvjnder.
Der B ehä lter wird in den Ha uptbremszylinde r eingeschraubt. Er we ist eine
Memb ran und ein en Ba lg auf. De r SChraubdecke l nimmt eine Sch laucht ülle
auf.
414 1
6 Bauteile von Bremsan lagen
Hauptbrem szylind er master cy linder. Die Kolben im Hauptbremszylinder werden über das
Bremspe dal mit de r Fußkra ft bea ufschlag t und bauen da mit den hydra ulische n Dru ck auf, der
w iederu m die Radb remszy linder betä tigt . Der Kolben d urchmesse r ("" Zy linderi n ne nd ure h-
messen ist bei gegebener Kraft dem Druck indirekt proportional. Ein kleinerer Bremszylin-
der erzeugt ei n weic heres Pedalgefü hl. verlänge rt de n Ped alweg. ve rdrä ngt weniger Volu me n
und erzeugt mehr Druck. Ein g rößerer Bremszy linder erze ugt ein härteres Pedalgefühl. ver-
kü rzt den Pedalweg. verdrängt mehr Volumen und erzeugt weniger Druck .
Bei Serie n- Pkw werden für die beiden erforderlichen Bremsk reise zwei Bre mszy linder in
ei nem Gehäuse z usa m me ngefasst, Bi ld 1-23
I
1 Schwimmkolben floating piston
2 Anschlüsse d er Ausgleichsbehä l-
te r connection to compensating
reservoir
3 scnncrrenöcre r
compensating roes
4 Druckstangenkolben piston
5 Anschlüsse zu den
Radbremszylin dern
out/et to wheel cyenaers
6 Druck räume pressure chamber
Bild 1-23 Tandem -Hauptbremszylinder tandem master cyenaer.
M ax. Hub der Druckstanqe: ca . 25 mm.
Beim Betätigen der Ko lbe n we rde n die klein en Bohru ngen ("Sehn üffel löehe r") von de n
Dichtungsman schett en überfahren und ein Druck aufbau ist möglich, weil die Verbind ung
zum Ausglcich-Zvorratsg cfäß unterbunden ist. In der Ruhestell ung müssen diese Seh nüf-
fcllöcher unter alle n Umständen wieder mit dem Druckrau m verbunde n sei n, damit ein
Volumenausgleich und dam it ein Lösen der Bremsb eläge erfolgen kann . Das garantiert ein
Spiel zwischen Bremspedal und Kolben in der Ruhestellung des Pedals .
Im Rennsport wird ge rne eine Il-Bremskreisaufteilung mit sepa raten Brem szyli ndern
für vorne und hinten verwendet. Durch den Einbau von zwei Bremszylindern ist eine Grob-
abstimmung de r Bre msk raftaufteilung du rch versc hiedene Bre mszy lindergrößen mögl ich.
Die Feinabstimmung erfo lg t dan n übe r eine n Waagebalke n a m Bremspedal. Die Bremszy-
linderg rößen werden wie folgt geä ndert:
Bremse blockiert hinten zuerst und das Pedal ist hart: vordere Bremszylindergröße rcd u-
Zieren ,
Bremse blockiert hinten zuerst und das Peda l ist weich: hintere Bremszylindergröße
er höhe n,
Bremse blockiert vorne zuerst und das Pedal ist hart: hintere Brem szylindergröße rcd u-
ZIeren,
Bremse blockiert vorne z uerst und das Pedal ist weich: vorde re Bremszylindergröße
er höhe n,
Für die Montage der Hauptbremszylin der biet en sich zwe i Möglichkeiten an , Die " klassische"
Befestigung erfo lgt über einen Zweilochflansch an eine r Schott wa nd ode r einer Konsole ,
I Brems anlage
a
2
\
b
1
r
2
Bil d 1-24 Bremszylinder.
a Ausführ ung für Flanschmonlage flange mount. b Ausführung für Lager ung in Drehpun kt pivot mount
1 Bremsz ylinde r bra ke cylinder
2 Kolbenstange oeton rod
Bild 1-24a. Dabei muss die Kolbensta nge gelenkig im Bremskolben gelage rt sein, damit sie
der Drehbewegung des Bremspedals folgen kann. Die zulässigen Schwenkbereiche von Kol-
benstangen liegen im Bereich von 4°. Werden die Winkel zu groß , geht ein Teil der Fußkraft
zur Bildung des hydraulischen Drucks verloren. Diesen Nachteil vermeidet eine Monlage in
einem Drehpunkt, Bild 1424b. Bei dieser Anordnung wird immer die volle Fußk raft an den
Kolben weitergegebe n. Dafür muss der Bremszylinder schwe nkba r sein.
Hauptbrcmszylindergrößen liegen im Bereich Kolbendu rch messer 15,9 bis 25,4 mm. Bei
Formel-I -Wagen messen die Zylinde r zw ischen 20 bis 22.2 mm im Durchmesser (115).
Bremskraft begren ze r pressure regulating vaive , Ein Brcmskraftbcgrcnzcr ist ein Vent il,
das in der Zuleitung zu den Radzylindern der Hinterachse eingebaut wird. Meist so, da ss
die Einstellschraube vom Fahrerplatz aus erreichbar ist. Betätigt der Fahrer das Bremspedal
mit steigende r Kraft, wächst der Druck in den Bremsleitu ngen entsprechend an, Rild 1-25.
Überschreitet der Bremsd ruck des Hau ptbremszylinders den eingestellten Wert, schließt
das Ventil und der Druck in den Radzylindern der Hinterachse bleibt au f diesem Wert, auch
wen n die Fußk raft weiter erhöht wird. Der Ventilsitz ist schwimmend. da mit nach dem
Lösen der Bremse auch die Hinterbremse wieder gelöst wird.
Übliche Abschältdrücke liegen im Bereich 30 bis 50 bar. Die Einstellung des Absehalt-
drucks erfolgt über eine Stellschraube ode r eine n Hebel.
Rr cm sk r aftregl e r bralce proportioning valve . Das Wirkprinzi p e rläutert Bi ld 1-26. Wi rd
die Fußk raft beim Bremsen gesteigert, herrscht zu nächst in beide n Bremskreisen der glei-
che Druck. Ab dem Erreichen des Umschaltpunk tes, de r von der Vorspannu ng der Kol-
6 Baut eile von Bremsanlagen
I
Bild 1-25
Brernskraftbeqrenzer.
1 Ventilko lben
2 beweglicher Ventilsitz
3 Kolbenfeder
4 Einste llschraube
a Ver lau f für P hyd,r mit hohem
Abschalteruck
b Verlauf für Prlyd.r mit ger in-
gerer Federvorspannung
.0
[bar ]
o
30
60
Druck vorne Pnyd••
c
•~
~30
~
~
o,
~ 0-1"- -
. ;--
-
. ;--
- ;...._
3
4
-
Bild 1-26
Bremskraübeq renze r,
1 Setm uffelventil
2 Stufenkolben
3 Kolb enfeder
a Verla uf für PhydJ m it hohem
Umschal tdru ck
b Verla uf für Phyd,r m it gerin -
gerer Federvorspannung
30
60
90
vorn e P"Y. ,' [bar)
~
o
2 0 -I"--r--~:--~_'
o
0
Druc k
1 Z90
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»>: !60
P...,.
~
-
e
•
•
,::; 30
~
bcnfcdcr (3) abhäng ig ist. w ird der Druckaufbau im Hinterachsk reis in ei nem best im mten
Verhältnis z ur Vordera chse gemi ndert . Das Verhältn is ist abhängig vom Flächenverhältn is
des Stufenkolbens (2).
Eine Abwandlung di eses Geräts ist der lastabhäng ige Bremskra ftregler (ALB). Dabei
wird die Federvorspannung durch die Hinterachslast bestimmt. Diese Regelung erfasst vor-
teilhaft also auch die Achslast verlageru ng beim Bremsen.
Einen vom Fahrerplatz aus verstellbaren
Bremsk raft regle r zeigt Bild 1-27. Es ist im
Prinzip dasselbe Proportionalventil wie in Bild
1-26, außer dass die Federvorspan nung über
einen Exzenterhebel verstellt werden kann. Nur
ein solches Ventil wird von der FIA für Super-
Produktion swagen (WTC-World Tour ing Car)
neben Waagebalkensystemen zur Variation der
Bremskr aftau fteilung zugelassen.
Bild 1-27 Prop ortionalventil für Cockpitverstellung ,
nach FIA Anhang J Art. 263
Dieses schematisch dargestellte Vent il da rf in S uper-To urenwagen
als Alternative zu einem Waagebalkens ystem zur B rems kraftver-
stellung im Cockpit h erangezogen werden.
I Brems anlage
Übert r ag u ngseln rtchtunge n (Verbind ungen) operating system (/inkages ). Bremslei-
lungen übertragen den hyd raulischen Druck vom Geberzylinder zu den Radzylinder n.
Dazwischen können T-Stückc und Ventile angeordn et sein. Die Leitungen solle n möglichst
steif sein , damit die vom Fahre r über den Fuß eingeleitete Kra ft nicht durch Deformat ion
der Leitungen ge mindert wird. Flexible Leitungen sollen nicht zuletzt aus dem Gr und nur
da eingesetzt werden. wo sie wirklich be nötigt werden, also z. B. zw ischen Rahmen und
Vorderradbremsen.
ßremsroh rleitungen hrakepipe. Zur Verbindung zwischen starren, unbeweglichen Karos-
seriepunkten. Bestehen aus doppelt gewickelten, har tgelöteten Sta hlrohren.
Zum Schutz gege n Umgebungseinflü sse wird die Rohroberfläche verzinkt und z usätz lich
mit einem Kunststoffüberzug versehen.
Bremsschl auchl eitungen brake huse. An den Übergängen zu dynamisch stark bean spru ch-
ten Teilen wie Achsschenkel ode r Bremssattel. Gewährleisten die einwand freie Weiterlei-
tu ng des Flüssigkeitsdruckes zu den Bremsen auch unter extremen Bedingungen. Neben der
mechanischen Belastbarkeit, der Druckfestigkeit und der geringen Volumenaufnahme sind
chemische Beständigkeit z. B.gege n Öl, Kraftstoffe und Salzwasse r, sowie gute thermische
Beständigkeit wesentliche A nforde rungen [105].
Aufb au der Bremsschlauchleitungen gliede rt sich in; lnncnschlauch, zweilagiges Geflecht
als Druckträger. sowie Außengummischicht zum Schutz des Druckträgers vor äußeren Ein-
flüssen .
Fl exleitun gen jfexihle line with s tee l braided ollter hose: Ähn lich wie Bre ms sc hla uchlei-
tungen an den Übergängen zu dyn amisch beanspruchten Teilen. Bedingt durch die gerin-
gere Flexibilität aufgrund des Aufbaus (PTFE (Poly-Tetrafluor-Ethylen)-Leitu ng mit Edel-
stahlgeflecht als Druckträger und eine m anderen thermoplastischen Elaste met als äußere
Schutzschicht) ist der Einsatzbe reich beschrä nkt auf Verbindu ngen mit geringer Beweg ung,
wie sie z. B. an den Sätteln durch Belagverschleiß auftreten. Diese Bauart wird im Ren n-
sport eing esetz t. Sie ermöglicht einen nah ezu tempe ratur unabhängige n Bremsdruck.
Anschlüsse joints. Im Prinzip kommen alle von Hydrauliksystemen bekann ten Verbin-
dungsarten zu m Einsatz, Bild 1-28. Starre Leitungen werden über einen Schneid ring oder
Ringlötstück e verschraubt. Flexible Leitungen werde n über au fgep resste A nschlussstücke
m it den Brem ssätteln . Hauptbremszylind ern oder T-Stücken (Verteiler) verbunden. Eine
weitere Möglichkeit besteht in der Verschraubung über eine Dichtolive.
Tab elle 1-9 stellt zwei gängige Gewi ndeg rößen mitsamt deren Bezeichnungen gegenüber.
Tab.1
- 9 Übl iche Gewindeg rößen und Bezeichn ungen der A nsch lüsse (Bezeichnungen B ild 1-29).
Ansch lussgewinde
Gewindemaß außen do [Olm) Gewi nde maß inn en d, [Olm]
4181
1/8 BSP
1/4 BSP
3/8 UNF
7/16 UNF
0-03
0 -04
0 -03
0 -04
9,52
13,49
9,52
11 ,10
8,73
11,11
8,73
7.93
6 Bauteile von Bremsan lagen
I
1
2
a
1
2
b
c
1
2
Bild 1-28
Verschraubungen von B remsleitungen.
3 a Ringstück:
1 Hohls chraube banjo bolt
2 Dichtringe sealing wash er
3 Ringslüc k banj o
b Verschraub ung mit Dichtollver
1 Dichtolive compressca steeve
2 Bremsleitunq stablqeüech tummant elt
bra ke line s ree caaea
c Schneidringverb indung:
1 Üoerwurtrnutter coupling nut
2 Schneid ring cutter
3 Bremsleitunq aus Stahl sree' bra ke Me
Bi ld 1-29 Anschl ussstücke für Brems leitungen fitting s to r brake lines.
a BSP-Gewinde, b UNF-Gewinde
Brem ssat te l hrake caliper. Bei Straßenfahrzeuge n steht Haltbarkeit und Zuverläss igkeit
auch bei mangelnder Pflege über Jahre hinweg im Vordergrund. Bei Rennfahr zeugen ist
geringes Gewicht trotz Zuverlässigkeit bei hohen Temperat uren wichtig. Gereinigt und
gewa rte t werden Brem se n von Rennfahrzeuge n regel mäßig.
Die zwei prinz ipiellen Ba uarten , die s ich bei Scheibenbremsen d urchgesetz t habe n, sind
Fest- und Faustsatte l (vg. a uch Bild 1-14 ). Bei Rennfahrze uge n domin ier t de r Fes tsattel. weil
genügend seitlicher Platz im Rad vorhanden ist und durch den bevorzugten Hinterradan-
trieb auch die Antriebswelle an der Vorderachse wegfa llt. Rennbremssättel werden sehr steif
ausgelegt und montiert . Den erforderlichen Ausgleich für Temperat urdehn ungen und Lüft-
spiele müssen daher andere Teile wie Brcmsschcibc/-topf sicherstellen. Die Befestigung der
Bre mssä tte l e rfolgt dur ch Verschraub ung über Stege ode r radial. Bei letzt e rer Art ist die
Position de r Bohrungen festgelegt und kann da her nicht verändert werden . Die Laufrichtun g
I Bremsa nlage
Bild 1-3 0 Bremssattel.
Dieser zwei teilige a- Kolb enbr e rnssatt el w ird r adial mit dem Radträger versc hraubt
1 Entlüftung
5 Verb indu ngsroh r
2 Siche rung der Bremsbeläge
6 radiale Versch raub ung
3 Verschlussschra ube
7 Bohrunge n für Bremskolben
4 Ansch luss zu Hauptbrem szylinder
8 Halter für Bremsbeläge
•
"
,
,
•,
"•
h
a
~_&.LSCheibenstärkeI .1
Bild 1-31 Bremssattel mit radialer Versc hraub ung caliper with radial mounting.
1 Befest igungssch ra ube n
2 Bu tzen für Befest igung am Radt räge r
Im B ild sind w ichtige Maße zur Bremszangenbefest igung angeführt. a Absta nd Verschraubung zu Mitte
Bremsscheibe . h Absta nd Auf lage Bremszange zu M itte Bremsscheibe , d p i,WJ b.zw. 2 Bremskolbendu rch -
messer
420 I
6 Bauteile von Bremsanlage n
00
\?LE;~
Bild 1-32 Bremssa ttel mit Stegbefestigung C81iper with lug mouming.
1 Befestigungssch rauben
2 Steg für Befestigung am Radträger
Im Bild sind w ichtige Maße zur Bremszangenbe festigung angeführt: 8 Abstand Auf lage zu Mitte B rems-
scneoe. h Abstand Mitte Bohru ng zu Mitte Bremsscheibe.
der Bremsscheibe ist bei Mehrk olbenza ngen mit unt erschiedlichen Bremskolbendu rchmes-
sern z u beachten. Der kleinere Kolben muss z uerst von der Scheibe überst richen werden.
Ein Nachteil der üblichen Festsartelau sführung ist die Verbindungsbohr ung bzw. Leitung
(Bild 1·30 . Teil 5) von einer Gehäusehälfte zu r nächsten. Diese überquert die Bremsscheibe
nahe ihr er Stirnsei te und daher wird die Bremsflüssigkeit von der Scheibe di rekt aufgeheizt.
Die Wärmeabfuhr muss da her auch diesen Bereich erfasse n.
Es existieren auch wassergekühlte Bremssattel. Die Kühlflü ssigkcit wird von einer exter-
nen Pu mpe durch den Kühlkreislauf gep umpt.
Bremssättel sind entweder zwei teilig aufgebaut. Bild 1-30. oder werden aus einem Stück
gefert igt. Bild 1-33 . Einteilige Gehäuse bieten Ge wichtsvorte ile dur ch Integ ralbauweise,
weil Schauben und Dichtstege entfallen. Sie werden gegossen. geschmiedet oder aus dem
Volle n gea rbeitet. Mehrtei lige Brem ssättel werden üblicherwei se gegossen. In j ed em Fall
werden Leichtmetallgehäuse hart eloxiert oder vern ickelt. d amit ihre Widerstand sfähigkeit
gege nüber Umgebungseinflüssen erhöht wird . Beim raschen Radwechsel bei spiel sweise
sind sie völlig ungeschützt.
I
Bild 1-33
Pormel-t-Brernssat tel.
Der Sattel ist aus einem Stüc k
gefräst und wird radial am Rad-
tr äger verschraubt. Er trägt sechs
B rernsxoben Die Kolben sind
radial d urchbohrt. Das reduzier t
de ren Masse und verr ingert den
Wärmetransport zur B remsflüs-
sigkeit. Die keramischen B rems-
beläge. d ie der Sattel aufnimmt.
werden von unten mit jeweils
zwei verschraubten Plättchen
am Herausfallen gehindert.
1421
I Brems anlage
Werkstoffe. Je nach Fertigungsverfahre n und Kostenvorgaben kommen folgende Werk-
stoffe z um Einsatz. Sphärog uss (GGG50, 0 0060): kosteng ünstig. abe r schwer. A lumi-
nium1cgicrungcn, A luminium- Beryllium-Legierung (Alberne! [117]): aufwändiger, aber
leicht; Aluminium-Lithium. Der Aluminium-Werkstoff in der Formel 1 ist vom Reglement
d urch seine n Elast iz itäts modul eingeschränkt (E < Ronoo Nzmm-).
Br emskotben piston. Das Verhältnis Länge z u Durchmesser soll möglichst groß sein,
damit der Kolben nicht zum Stecken neigt. Darüber hinaus muss beim Brem svorgang mit
versch lissenen Belägen . a lso we nn de r Kol ben a usgefahren ist, eine Mindcstführ ungs längc
des Kolbens in sei ner Aufnahmebohrung erhalten bleiben. Das Zurüc kschieben des Kol-
bens bewirkt ja nur der ela stisch verformte Dichtri ng. der kei ne große n Kräfte oder Wege
erze ugt. Bei manchen Bremsz angen we rde n Kegelfedern im Arbeitsra um ei ngeba ut. Diese
schieben den Kolben wie beim Bremsen aus und vermindern so den Pedal-Leerweg. Das
Aufhe ize n der Bremsflüssigkeit wird du rch die Gestaltung des Bremskolbens mit klei nen
wä rmeleite nden Bereichen zwisc hen Flüssigkeit und Belag ei ngeschrän kt.
Die Durchmesser der Kolben liegen im Bereich 25 bis 50 mm.
Werkstoffe. G ra uguss , Sta hl, Edelstahl titannitr iert. Alumi nium und Titan. Besonders
leichte Kolben bestehen aus eloxiertem Aluminium mit einem Tita neinsatz zu r Wärmeise -
lat ion. Bei Ser ienfuhrzeuge n we rde n auch Duroplaste ei ngesetzt [116].
--- ----
----- ---f-- ----- -
--- ----
Bild 1-34 Bremsko lben im Bremssa ttel.
1 Verbindungsbohrungen
2 Zu lauf über RingstüCk
3 Kolben
4 Dichtr ing
5 Bremsbelag
Die Bremsflüssigkeit überträgt den Bremsdruck
über den Z ulauf und die Verbindungsbohrungen
in die Kolbenrä ume. Die Kolben selbst bewegen
den Bremsbelag zu r B remssehelee .
Bild 1-35
Brernskoioen.
a Ausführung ohne Nut. Der Dichtring befindet
sich in de r g rernssattelbohnmq. Werkstoff:
Alum inium legie rung.
b Aus führung m it Nut. Der Dichtring sitzt am
Ko lben , Wer kstoff: Stah l.
6 Bauteile von Bremsanlagen
Dichtringe se als. Die Dichtri nge mit quadratischem Querschnitt befinden sich in ei ner Kol-
bennut oder in der G ehäusebohr ung. Ihre Fun ktion ist neben der nam ensgebenden Abdich-
tung des Kolbens piels vor allem die Rückstell ung des Kolbens um das Luftspiel (roll back),
wenn der Bremsd ruck wieder sinkt. Würde der Kolben in der Bremsstellung verbleiben,
bleibt ein verlustbringendes Restbr emsmoment besteh en. Zu weit soll der Kolben allerdings
auch nicht zurückgestellt werde n. In dem Fall würde den Fahrer beim erne uten Brem sen
ei ne Verlängerung des Pedalwegs stören. Auch diese Rückstellbewegu ng in Richtu ng Schei-
be übernim mt der Dichtring (knock back).
Bremsbelag brak e p ad . Die zw ei entscheidenden Punkte zur Auswa hl der Bremsbel äge
sind der Reibwert und das Temperat urverhalten. Je höher der Reibwert. desto besser ist auch
die Bremsw irku ng. Ein sehr hohcr Reibwert führt allerdings auch zu erhöhtem Scheiben-
verschleiß. Bei Einsatz von Belägen niederen Reibwerts ist dagegen die Dosicrb arkcit der
Bremse besser.
In den vom Hersteller angegebenen Temperaturbereichen erzielen die Bre msbeläge ihre
besten Ver zöger ungswerte. Die Temperaturbereiche liegen zw ischen 100 "C bis 6()O"C und
200 -c bis 750 -c.
Einla ufp roze ss run ning-in , AE: bre ak-in . Während des Einlaufs fabrikneuer Reibbeläge
bildet sich auf deren Konta ktfl äche die nur wenige Mikrometer dicke so genannte Reib-
sc hiehr. Sie bestimmt maßgebend die Reibungs- und Verschleißeigenschaften von Reibbe-
lag und Scheibe. Sie schützt ferner den darunter liegenden G rundwerkstoffvor thermi sche r
Überla st ung. Deswegen sollten Reibpa arungen erst nach Vorhandensei n der Reibsch icht die
volle Belastung erfahre n. Neue Bremsbeläge müsse n also eingefah ren werden. Dabei sollen
keine ncucn Bremsscheiben verwend et werden.
Bild 1-36 zeigt wie sich die Reibung bei einer Vielzahl aufeinande r folgender Vers uche
bei gleicher A npressk raft änd ert. Diese steigt zunächst mit der Messzeit an. Erst nach Über-
sch reiten der Haftgre nze gleitet der Belag auf de r Reibschie ne. Zu Beginn der Vers uchs-
re ihe bilden sich die klei nste Reibkraft und der sa nfteste Übergang aus dem Haftgebiet in
das Gleitgebiet aus. Mit zunehmender Zahl der Reibversuche steigt die Reibungszahl an.
Gleichz eitig bildet sich eine zun ehm end größer we rde nde Spitze im Überga ngsgebiet zw i-
schen Haften und Gleiten.
I
':'0,5
•
~;:: 0, 4
o
<
ß.~
: 0,3
o
H af tr'eibunll~lI ren1.e
,
t,0
Zeit t [sI
500. vers uch -'1
100. Versuch i
,
',0
Bil d 1-36
Einlaufvorgang [11 6): Verände -
run gen d er Reibe igenschaften
im Übe rga ngsgebiet Ha ften/
Gleiten in eine r fabr ikne uen
Reibpaar ung mit orga n isch
geb unde nem Belag.
Messsys tem Sch litten auf Gleit-
sch iene. Reibf läch e - 16 cm 2,
Pressung p - 50 N/cm2, Gleitqe -
schwindigkeit - 0 .04 m/s
1423
I Brems anlage
Bild 1-37
Beispie le von B remsbel ägen.
Ans icht auf d ie Belaqseite.
Sch eiben kont ur st richlie r t da rg estellt.
Die Ursache für die Veränder ung der Reibeigenschaften während des Einlaufs sind neben
physikalisch-chem ischen Umwa nd lungen im reibflächennah en Bereich kleinste Mct allpar-
tikcl, die aus dem metallischen Reibpartner in die Reibschicht einwandern. Erst wenn das
Gleichgew icht zwischen den eingewanderten und de n durch Verschleiß abgetragenen Parti-
keln er reicht ist, ist der Einlaufprozess abgeschlosse n.
Die Belagstärk en liegen zw ischen 10 und 25 rnrn. Beläge dürfen die Bremsscheibe nicht
überragen. Das kann z u einer Reihe von Brem sproblemen füh ren [112].
Folgende Empfehlungen können für die Belagwahl basierend aufder Ant riebsart ausge-
sprochen werden:
Allradfahrzeuge und Fahrzeuge mit Hinterradantrieb: gleiche Qualit ät der Beläge an
vorde r- und Hinterachse,
Fahrze uge mit Frontantrieb: Beläge mit hohem Reibwer t an der Vorderachse und solche
mit geri ngerem Reibwert an der Hinterachse.
Das Aufh eizen der Bremsflüssigkeit wird durch die Gestaltung des Bremskolbens cingc-
schrä nkt und kann durch ein Hitzeschild am Rücken des Trägerblechs weiter redu ziert wer-
den, Bild 1·38 .
Es gibt Unterschiede zwischen Bremsbelägen von Serienfahrzeugen und solchen für Ren -
ncin satz. Rennbeläge zeigen höchste Verzögerungen, neigen abe r zu Geräuschbildu ng. was
sie für den Alltagseinsatz untauglich macht. Einen Leistungsve rgleich unte rschiedlicher
Brem sb eläge illu st rie rt Bild 1-39.
Bild 1·38
Hitzeschild für B rems be lag.
Durch ein Hitzes ch ild. da s m it Schraubniete am
Trägerb lech befest igt ist. wird d ie Auf heiz ung der
Brems flüss igkeit red uzie rt und Blasenbildung ve r-
rrundert
424 1
'Ai nt ex 1144
G- For ce Sport
Pagid FR 41 51
OMP 961K
Pagid T4151
Bre mbo
Formul a Pads
Fe r odo DE2000
VW Serie
60
70
relativer
80
90
Brems we g
'00
[%J
6 Bauteile von Bremsanlagen
Bild 1-39
Einfluss des B remsbe lages auf d en
B remsweg , n ach (1 13).
An einem VW Golf GTi (MJ 1988)
wurden unterschiedliche Beläge, ein -
schließlich der Serienausrüsnmq,
getestet. Je der Belagsatz w urde ein -
gefahren und ansch ließend de r Mit-
telw ert aus 15 aufeinande rfo lgenden
Vollbremsungen aus 88 km/ h ermitte lt.
Manche B eläg e erre ichten bei der ers-
ten, manche nach einigen Bremsu n -
gen ihre n Bestwert.
I
Im Rennsport erreichen Bremsbeläge eine Lebensdauer von etwa 300 bis 40() km (11 5), d. h .
sie werden in manchen Disziplinen für jedes Rennen erneuert,
Wer kstoffe. Der Belagwerkstoff hängt vom Reibpartner, d . h . der Bremsscheibe ab. Orga-
nische und halbgesinterte Beläge sind für den Einsat z mit Guss bremsscheibe n geeig net.
Keramische Beläge (Karbon) können nur ausschließlich für Karbonbremsscheiben einge-
setzt werden.
Karbon hat gege nüber dem konvent ionellen Reibu ngsm ater ial bedeu tsame Vorte ile (116) :
Gewicht: Die Dichte des Karbons beträgt nur ein Fünftel der Dichte von Stahl oder Guss-
eisen.
Therm ische Leitfähigkeit: Da Karbon ein Verbundwerkstoff ist, kann man die Wärme-
leitu ng durch die Ausrichtung der Karbonfasern in vorherbestimmte Richtungen beein-
flussen.
Temp erat urbeständigkeit : Diese führt zu ei nem geringeren Fading, wenn die Temperat ur
ansteigt und ermöglicht somit eine bessere Kontrolle und Reproduzierbarkeit des Brem s-
vorgangs.
Biss: Sehr gutes Ansprcchverhaltcn bereits zu Beginn des Bremsvorgangs.
Als ein Nachteil bleibt nur der Preis. Ein Satz Karbonbremsscheibe plus -brcmsbclägc kostet
ctwa das Zeh nfache einer Ausrüstung von Gusseisenbremsscheibe mit organischen Brems-
belägen ,
Einen anscha ulichen Vergleich des Reibungs verh altens beider Paaru ngen gibt das Bild
1-40. Für bcidc Paarun gen sind zwe i Bremsvorgänge beginnend bei 300 und 220 km/h zu
sehen. Man kann erkennen, dass ein Karbonbremsbelag viel mehr " Biss" (Leistu ng in der
ersten Bremsphase) zeigt, als ein organischer Bremsbelag. Um das Fahrzeug scharf abzu-
bremsen, ist eine hohe Bremsleistung zu Beginn einer Bremsphase notwendig. Je mehr sich
das Fahrzeug ve rlangsamt, dest o höher wird bei den orga nischen Belägen der Reib ungsko-
effiz ient. Die Karbonb eläge s ind auf der ander en Seite in ihr er Wirku ng viel konstant er und
erlauben dem Fahrereine bessere Modulation des Bremsvorgangs und eine bessere Kontrol-
le über das Fahrze ug, wenn sich die Lastverteilung während der Bremsung ände rt. Diesen
Unterschi ed ruft die besser e Temper atur stab ilit ät von Karbon hervor.
1425
I Bremsa nlage
Scheibe Be l ag
,
...........
...... .,
.
-
Gussei sen organisch
.....
Karb on Kar bon
--..:0
,
,
-
,....... '
,
I
0,0
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Geschwindigkeit [km/ h )
,,2
0,2
~
<
~ 0,6
•o
c
E0,4
~
•
"
:t 0,8
,,0
Bild 1-4 0 Reibungsverha lten verschiedener Paarungen über de r Ges chwind igkeit, nach [11 6].
Für j ed e Paarung sind zwei Brernsvorqänqe . beg innend bei 220 und 300 km/h. dargestell t.
Bei sch räg stehendem Bremsbelag ergebe n sich eine auflaufende und ei ne ablaufende Kan-
te. Ist die vordere Kante auflaufend kommt es zu einem Selbstverstärkungseffekt und zu
Brem srubbel n (brak e judderv durch ei ne n Stick-Slip- Effekt. Die vorde re, auflaufende Ka nte
wird im Betrieb heißer al s die hintere. Außerdem verschleißt der Belag dad urch stark ein-
seitig. Ein asymm etrischer Belag rücken sorgt dafür, dass de r Bre mskolben den Belag bei
Vorwä rtsfah rt z uerst mit der hinteren Kante an die Scheibe drückt. Derselbe Effekt wird bei
Meh rkolben bre mssättcJ n mit unter schiedli chen Kolb end urchm essern erreicht (s. Abschnitt
6). Dadu rch ergibt sich kein Selbst verstärk ungseffekt und die Bremswirkung ist vom Fahre r
besser zu dosieren.
--.;
•
1
2
34
Bild 1-41
Gesta ltung des Belagrückens zur Vermei-
d ung von Bremsrubbeln (schematisc h).
Auf den Rücke n des Bremsbelages (2) ist
e in Blec h (3) aufqenietet. Dieses we ist eine
etwa halbkre istö rmige Ausspar ung auf.
Dadu rch d rü ckt der Brems kolben (4) beim
Betätigen d er Bremse zuerst auf die d er
Laufr ichtung (Pfeil) de r Bremssche ibe (1)
a ocewancten Kante des Bremsbela ges.
-
••
.
~
6 Bauteile von Bremsanlagen
Über den Ken nwert der spez ifischen Bclag1cistung (z. B. Abschnitt 4) lässt sich die be nö-
tigt e Belagfläche fü r eine gew ünsc hte Brem sleistung absc hätzen. Eine klein e Belagfläche
erg ibt natu rgemäß kleinere Verformungen des Belages im Betrieb. Dafür sind längere
Bremsbeläge unempfindlicher gege n Kippen mit den obe n besch riebenen Effekten und sie
redu zieren die Flächenpressung bei gleicher Betätigungsk raft.
Bremssch eib e brake disc. Ocr Bremsscheiben-
durchmesser ist entscheidend für die zu erzielende
Bremswirkung. Normalerweise montiert man die
größtmögliche Scheibe u nter Berück sichtigun g
des Fclgc nprofils, vg1. Tab ell e 1-10. Bei der Fest-
lcgu ng des Scheibendurchmessers sind aber auch
die zu erwartenden Brem skräfte (Fahrzeugge-
wicht, Lastvert eilu ng, Reifen) z u berücksichtigen .
Die Scheibenstärke nimmt mit dem Durchmesser der Scheibe zu. Ebenfalls entscheide nd
für die Stärke der Scheibe sind Fah rzeuggewicht und Einsatzzweck (Rallye, Rundstrecke,
Langstrecke etc .) . Eine dickere Scheibe hat eine höhere Lebensdauer und stabilisie rt wegen
ihrer größeren Masse die Scheibe ntemperatur. Diese werden z. B. für Langstreckenrennen
eingeset zt.
Scheibenstärken sind erhältlich von 7,10 mm bis 35,50 mm. Außendurchmess er liegen im
Bereic h vo n 2XObis 37Xmm.
Die Abmessungen sind z. T. durch das Reglement eingeschränkt. In der Formel 1 bei-
spielswe ise dar f die Scheibenstärke 2X mm und der Du rchmesser 27Xmm nicht überschrei-
ten. Bei Sportprototy pen sind die Du rchmesser mit 3XOmm (FIA SR!) und 356 mm (FIA
SR2) beg renzt. Für die Qualifikation oder bei Bergrenn en setzen viele Teams schmälere
Scheiben ein. Das spar t mit der dazu verbaubaren sch mäleren Brem szange Gew icht ein und
die Bremse erre icht rascher ihre Betriebstemp erat ur.
Tab. 1
- 10 Anha ltswer te von Bremsscheibendu rchmessern in Abhäng igkeit vom Felgend urchmesser
Felg endurchmesser dnenn (Zoll-Code)
12~
13"
14"
15"
16~
17"
I
Bremssch eib e A ußend urchm esser [m m] 221
256
278
308 330
360
Die einfachsten Bremsscheiben sind massiv und werden direkt ode r über einen Topf mit
der Nabe verschraubt, Bild 1-42 . Sie werden in Fahrzeugen wie Formel Ford oder Motor-
rädern verbaut. Aufwändigere Bauarten sind mit Hohlräumen versehen und er möglichen
e ine int e ns ivere Wär meabfuhr. die d u rch turbinen artige Gestalt ung innenli ege nder Rippen
forciert werden kann . Beispiele solcher innenbelüftete n Bremsscheiben zeigen die Bilder
1-43 und 1-46.
Bei Luftschächte n mit Laufschaufelwirku ng ist die Drehrichtung z u beachten, Bild 1-44.
1427
I Bremsa nlage
8'1-
+-
--,
b
c
Q
e
Bild 1-42
Brems sc heibe fü r Rennmo torr ad aus legiertem Grauguss.
Die Scheibe ist massiv und gebohrt. Sie wird scbwmmeno
mit de r Nabenscheibe über Bolzen mir zwe i w enscn eceo
verbunden (Oetauausscnmtü
Typische Maße [mm] ~11J
Außendu rchmesser 0 : 320
Aurnabrredorcbrnesser e: 64 b is 130
Einpress tiefe e: 0 bis 10
Scheiben dicke t: 6
Nabenteerte b'6
Nabenvet schraubung:
Te dunqsdurchmesser p: 80 b is 110
6 Bohrungen mit Durchmesser g : 8.35
5 Bohrungen mit Du rchmesser g : 10.2
Bild 1-4 3 Innen belü ftete Bremsscheibe für Pkw ,
Die Sche ibe wird durch Gießen hergestellt.
428 1
Fahrtrichtung
6 Bauteile von Bremsanlagen
I
linke Seite
rechte Seite
Bil d 1-44 Laufrich tung von belüfteten Bremsscheiben.
Bestimmte Bremsscheibena usführunqen sind reutncntu nq speb u noe n. Oie g eb og enen Ventilations-
schächte müssen in Fahrt richtung nach hinten zeigen, weil d ie Kühlluft von der Scheibenmitte aus ange-
saugt wird.
Genutete Brem ssch eib en grooved brake disc. Bremsscheiben sind mit vier ode r acht tan-
gentiale n Nute n versehen, die z ur Reinigu ng der Belagoberfläche dienen. Dadurch wird eine
gleichmäßige Bremswirkung er zielt und da s Nassbremsve rhalten verbesse rt. Auße rde m
wird dam it auch die Belagtemp eratur gese nkt. Genutete Bremsscheiben haben eine längere
Leben sdauer als gebohrte Ausfüh rungen. Die Nuten sind etwa 1,5 mm breit und 0,8 mm
tief
Ei nbau links
Einbau rechts
Bil d 1-4 5 Drehrichtungsabhängige B remssche iben d urch Nuten (110).
Durch die Funk tion der Nuten zur Ab riebsabfuhr sind zwe i A usführungen erforderlich für den Einbau auf
der linken und der rechten Fahrzeuqseite. Partikel in einer Nut laufen dabei von innen nach außen. Die
Nuten müssen zur Erfüllung ihrer Funktion fr ei von Ab lagerungen gehalten werden .
Ge boh rte Br emsscheibe n drilled hrake disc . Diese erzeuge n einen etwas höhere Brem s-
kra ft (vor all em zu Beginn einer Bremsung = .. Biss" ) und erzielen eine geringfügig nied-
rigere Bremsscheibe n- und Belagtem peratur. Außerde m ist das Bremsverhalten bei Nässe
besser. Sie sind natürl ich leichter, aber auch anfälliger für Risse in der Oberfläche.
1429
I Brems anlage
Luftschacht
•
e.
o
o
Bil d 1·46 Inneno etüttet e Hoch leistungsbremsscheibe für schw immende Lager ung ventilared aisc tor
noet mounting.
Dargestellt ist sowoh l eine gen utete als a uch eine qebonrte Reibf läche. Die KÜhlluft w ird vo n der Sche i-
benmitte aus angesa ugt und durch den Luft schacht nach außen befördert. Die Befestigung erfolgt über
Boh rungen (0 d), d ie an de r ve rlänge rte n Sche ibense ile angeb racht sind.
Beresügung mounting. Aus Gewichtsgrü nden und zum Toleranza usgleich haben die mei-
st en Brem sscheiben eine Flanschb efestigung. Aufdi esen Flansch wird ei n Topf geschraubt.
Der Topf besteht meist aus Aluminium. Diese Befestigung kann nach zwei Arten vorgenom-
men werden: Feste Verbindung oder schwimmende Lagerung, Bild 1-48. Die gesc hraubte
Version sollte bei extrem sta rken Belastungen, wie Off Road oder Rallye-Einsätzen, der
schwimmenden Ausführung vorgezogen werden. Durch Verunrei nigungen kann das Spiel
blockiert werden. Die Bremsscheibe bekommt einen Schlag und flattert.
Töpfe für innenbelüftete Scheibe n sollen keine Erlcichtcrungslöchcr aufweisen, weil
dadu rch mögliche Kühlluft für die Brem sscheibe ungenutzt entweichen kann [112].
Bei schwimmende n Bremsscheiben entsteht ein minimales Axial- und Radial spiel. Das
erlaubt der Scheibe und dem Bremsscheibentopf sieh in verschiedene Richtun gen auszu -
dehnen, was wiederum das Entstehen von Rissen in der Scheibe reduziert. Bei Scheiben
über 330 mm Durchmesser ist diese Befestigu ngsart auf alle Fälle not wendig. Weilers kann
sich die Scheibe zw ischen den Belägen einstelle n, was den Pedalweg verklein ern und den
Einsatz eines kleiner en Hauptbremszy linders ermögliche n kann [IO,}].
Der Rundlaufder Bremsscheibe muss ir rjedem Fall klei ner als0,15mm sein. Bei schwim-
mender Lagerung soll die Scheibe axial 0,15 bis 0,2 und radial 0,05 bis 0,1 mm Luft zum
Topf haben [106].
Die Verschra ubung erfolgt meist mit 8 bis 12 1/4" UNF-Schrauben bzw. Mö-Schrau-
bcn.
6 Bauteile von Bremsanlagen
I
Bil d 1-4 1 Töpfe (be/l) zur Montage von ä remsscnecen
a integrierter Topf (massive Sche ibe) integral bell (solid disc)
b Topf für schwimmende Befestigung de r Scheibe m ittels B uchse im Topf
bell tor floating mount wilh bobbin
c Topf für CFC-Sch eibe (Formel 1) bell tor CFC-disc
a
b
\
Bild 1-48 Arten de r B remsscheibenb efestiqunq .
a sta r r verschraubt, b schwimmende Befestigung m it Buchse in der Scheibe, c schwimmende Befes-
tigung mit Buchse im Topf. Das Spiel füh rt z um A usschlagen des Topfes. Dieser muss ötters gewechse lt
werden als bei b); dafür können üb liche Bremsscheiben (wie unter a) ) eingesetzt werden.
Bild 1-49
Bremssche ibe aus
koh lenstofffaservers tär ktem
Kohl enstoff (CFC).
Diese Scheibe wird an einen
Topf aus Aluminium ange-
sch raubt. siehe nächs-tes
Bild.
1431
I Bremsa nlage
Bil d I -5 0 Vollständige Bremsscheibe aus «o t us n st ottt aser ver stärktem Koh lenstof f.
Buchsen im Topf stellen die schw immende Lagerung sicher . Die SCheibe überträgt das Brem sm oment
mit den Bohrungen im Topf über Miln ehmerb olzen direkt auf das Rad . Zw ischen Top/verschraubung und
Sche ibe kann Luf t zur Küh lung d ieser Sche ibense ite d urchs tre ichen.
Wer kstoffe. Die Wahl des Werkstoffs hängt neben dem Werk stoff des Reibbelags von sei-
nen Eigenschaften ab. Folgende Werkstoffe werde n für Brem sscheiben eingese tzt:
Grauguss (GG IS, GGIS He, GG25),
Sphärog uss (GGG60, GGG70),
Keramik mit siliziumkarbi dhaltigc r Matrix C/SiC (kchlcnsto fffas c rvcrstärktcs Silizium -
karbid) aus der G rupp e Ka rbon - Keram ik (CMC ceransie matrix composite Kcramikma-
trix-Ycrbu ndwcrk sloff),
CFC (kohlc ns tofffascrvcrstä rktc r Koh lens to ff) bz w, C FRC (carhonfihre reinforced car-
hon), bzw. CC (Karbon-Karbon]: Karbonbremsscheibe.
Tab .I-11 Werksto ffverg leich Grauguss zu Karbon [1161.
Wärmeleitfäh igkeit [W/ mK]
Therm. A usdehnungskoeffizient (20-300 0c) [l / K]
Spezif ische Wärm eka pa zität [kJlkg K]
Ma x. A uslegungstemperat ur rCJ
Dichte [g/cm3j
mi tt lerer Reibungs koeffizie nt!l H
Graugu s s
50
18· 10-6
0,65
600
7.1
0,45
f as erverstä rkter
Kohlen st off
60
2,6 ' 10-6
1.2
1000
0,55
Der Preis eine s Satzes Karbonsscheib e plus Beläge liegt etwa zehnfach höher im Vergleich
zu konventionellen Werkstoffen.
Man erkennt als gravierenden Nachteil von Gra uguss das über viermal höhere spezi-
fische Ge wicht und den g roßen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Das bedeutet die
Scheibe dehnt sich beim Abbre msen aus hohcrGcschwindigkcit aus und verzieht sich, wenn
sie nicht entsprechend biegeweich gesta ltet oder ausdehnungsgerecht gelage rt ist, ode r es
bilden sich Risse.
6 Bauteile von Bremsanlagen
Im Gegensatz zu Karbonkeramik-Bremsscheiben (CMC) ist jene aus Karbon -Karbon (CFC)
ausschließlich für den Rennsport geeignet. Die Gr ünde hierfür sind [1 18}:
ein temp eratu rabhängiger Reibwert. der zu schle chtem Kaltbremsverhalten führt,
hoher Verschleiß bei niedrigen Temperaturen und kleinen Anprcssdrückcn.
sehr hohe Werkstoffkost en wegen energieintensiver Herstellung.
Ei nsatzhinweise appiic at ion notice. Brem ssch eib en soll te n regelmäßi g a uf R is sbildung
überp rüft werden. Neue Bremsscheiben sollen vor der ersten Belastung mindestens 15 km
eingefahren werden.
Die Lebensdauer der Grauguss- Bremsscheiben liegt im Rennsport bei etw a 650 bis
1000 km [1 15]. Häufige Temperaturwechsel setze n die Leben sd auer her ab. Die Rotations-
drehzahl en sollen 3000-3500 mln-! bei Graug uss-Scheibe n nicht überschreiten .
Bauteile fü r Bremsenkühlu ng partsforbrak e cooling. Brem sen wandeln den Großteil der
kinetischen Energie in Wärme um. Die Abfuhr dieser Wärme erfolgt bei Rennfahrzeu gen
(mit wenigen Ausnahmen) ausschließlich durch Luft. Dabei reicht im allgemeinen Konvek-
tion allei n nicht aus, sondern es ist Zwangskühlung erforderlich. Konvekti on und Strah-
lung zur Wärmeabfuhr genügen bei sprinta rtigen Bewerben (Qualifying, Bergre nnen. ...) .
Die Gestaltung der Kühll uftzufuhr hängt von der Bremsscheibenbauart ab. Bei massiven
Scheibe n führt ein Schacht Luft zu beiden Reibflächen , nild 1-51. Die auflaufende Kante
des Schachts muss temperaturbeständig sein und mögli chst nahe an die Scheibe noberfläche
heranreichen (ca. 0,25 mm], damit sie den Großteil de r heiß en G renzsc hicht ablöst [106].
Bei innenbelüfteten Bremsscheiben muss die Luft von in nen nach außen durch die Scheibe
strömen können. Darüber hinau s kann es auch erforde rlich werden, zusätzlich ihre Reibflä-
chen, die Bremszange und die Beläge mit Kühlluft zu versorgen, Bild I-52.
Fahrtrichtung
<:==
.
.
..
Bi ld I- 51 Kühlluf tzuf uhr bei massiven B remssche iben cooling air teed for solid aecs.
1 Bremssche ibe bra ke disc
2 Luftschacht brake duct scoo p
3 Splitter
Ein Luf tsc hac ht führ t Kühlluf! an die beiden Reibflächen de r B remssche ibe heran. Der Schacht erhält d ie
Luf t zwischen Reifen und Wagen. Eine mögl iche Ant riebswelle ist smcnnert dargestellt.
I
1433
I Brems anlage
Fahrtrichtung 3
-=
1
2
"Luft
.
.
Bild I -5 2 Küh lluftzu tuhr bei in n en be lüft eten Bremsscheiben coo/ing air teet tor venfi!ated oece.
Luflschacht duct
3 Topf bell
2 Brems scheibe brake di sc
4 Bremszange bra ke cali per
Ein zw ische n Reife n und Wagen liegender Schacht (1) fllhrt Luft gezielt an die Scheiben-
reibfläche inn en , de n Innenbereich des Topfe s (3) und an die Bre mszange (4) heran. Die Luft
durchst römt die Scheibe und ein Teilstro m streicht durch Aussparunge n a m Topf umfa ng
über die Reibfläche der Bremsscheibe außen. Kühl1uft für die Brem sscheibe kann auch
durch den Radträ ger zug eführt werden. Typ ische Durc hlas sflächen f ür Re nnb rem sen wei-
sen 100 cm 2 auf. 80 % der Luft sollen durch die Brem sscheibenschächte bzw. -bohrungen
und je 10 % über die Seheibenbre msfläehen geführt werden [[12]. Die Gesamtanordnu ng
einer vollständig en Baugruppe zeigt Bild I-53 für ein Vorde rrad.
Bil d I -5 3 Luftzufüh r ung an Former-t -voroe rracbrernse (lin k. s vorne)
cooling air flow of a Formula 1 fro nt brake.
1 Eintritt kühle Luft cold air in
5 Austr itt he iße Luft hot air out
2 Luftzfuh rhutze brake duet scoop
6 B rems sche ibe brake di sc
3 St ützplatte bac ki ng disc
7 SCheibentopf aec bell
4 Radträger upright
434 1
7 Brem seneinba u
I
Um eine optimale Wirk ung der Bremse zu erz ielen, ist es wichtig die richtigen Scheibentern-
peraturen z u erreich en. Die Temperat ur an der Vord erachse liegt in der Regel etwa 100 "C
höher als an der Hinterachse. Unterschiedliches Aufb eizverhalten kann di e Bremskraftauf-
teilung geri ngfügig beeinflussen. Links und rechts sollten die Temperat urwerte annähernd
gleich sein, wobeije nach Kühlsystem die äußere Scheibe nfläche heißer werden ka nn als die
dem Wagen zugewandte. Die maximale Scheibentemperatur hängt sehr stark vom Belagtyp
ab. Jede Ren nstrecke bean sprucht die Brem se unterschiedlich. Daher sollten die Tempera-
turwert e der Bremsscheiben festgehalten werd en. Dies kan n mit der Bremsscheibentempo-
raturfarbe oder mit ei nem Messgerät ( Pyrometer) wäh rend des Boxenaufenthaltes gesche-
hen. Ein oftmaliger Wechsel zw ischen maximalen und minimalen Tempe raturen während
eines Rennens verkürzt die Lebensdauer der Scheiben. Graug uss- Bremsscheib en sollten
nicht in Temperaturbereichen über 610"C gefahren werd en.
Umlaufvenrll recirculating vaive . Zur Kühlung und Entlüftung der Bremsflüssigkeit kön-
nen Umlaufventi le einge setzt werden. Bei jede m Pedalhub zirkuliert die Bremsflüssigkeit
durch das Leitungssystem und aufgetretene Luftblasen werden abgeführt und lokales Sie-
den wird so verhinde rt.
-
zum Bremss attel
-
vom
t
Brems -
L.::::-:r~:=~~~:' satt e l
Bild I- 54 Bremsle itung ssystem m it Umlaufventil recirculating syste m .
1 Entlüftung b leed ing
2 Haupt bremszyl inde r brake mast er cylinder
3 Brems sattel brake caliper
Der Rücklauf der Brem sflüssigkeit aus den Bremss ätrem erfolgt über d ie Boh rung der Entlüftun gssc hrau-
",0
7 Bremseneinbau B rake installation
Rennbremssättel sind so ges taltet, dass sie an der Vorder- und Hintera chse verbaut werden
können. Will man die Massen möglichst nahe am Gesamtschwerpunkt des Wagens platziere n,
so ordnet man die Bremszangen wie in Bild 1·55 an. Allerdings müssen da zu die Anschlüsse
von Verbind ungsleit un gen und Entlüft ungen vertausc ht werd en.
1435
I Brems anlage
auflaufend
3
ablaufe nd
I
_._~_.-
I
Bil d I -5 5 Anordnung der Bremssät lei bei einem Rennfahrzeug trailinglleading ca/iper
1 Entlüflungsschrauben m öglichst hoch anordnen
2 Bremsscheibe läuft an kleinen Brems kolben zue rst vorbei (bei Mehrko lbenausführungen) z ur
Vermeid ung von Stic k-Slip-Ef fekten am Bremsbelag
3 Verbind ungsleit ungen un ten anordnen
o
Bild I -5 6 B remssche iben freigang disc pathway clearance.
Der Freigang zwischen Bremssche ibe und Bremssattel soll m indestens 1.8 mm bei screcen s 0 280 mm
und m indestens 2.5 mm bei größeren Scheiben betragen. Radial versch raubte Bremssä ttel ermöglichen
e ine gewisse Einstellung durch Zwischenlegen von Sche iben.
Die Bre mse ka nn im Rad (a ußc nlicgcndc Bremse ) oder ra hmcnscit ig unte rgebra cht werde n.
Die Auße nbordbre mse hat den Vorte il, dass de r Luftstrom um den Wagen nicht beeinfl usst
wird , was besonders im Heck von Einsitze rn von Bedeut ung ist (flaschc nhalsförmigc r Ein-
zug, vgl. Bild E-14).
Die innenliegende Bremse reduziert die so gena nnte n ungcfcdcrtcn Massen, übert rägt
die Bremsabstürzkr äfte direkt auf den Rahmen u nd entlastet so Fahrwerksteile. Bei nichtan -
getr iebene n Achsen ist jedoch zusätzlich eine Bremsw elle erforderlich . Das ma cht zu min-
dest einen Te il de r genannten Vortei le zunichte und e rhöht de n Teilea ufwan d.
Die beg renzende Umgeb ung für die Radbre mse stelle n das Rad (Felgeni nne nkontu r) und
der Rad t räge r da r. Für eine mög lichst große Bremsschei be sind daher ein großes Rad und
eine kompak te Ra dlageru ng von Vortei l. Eine große Einpresstiefe des Rad s ges tattet den
Einbau von Festsattelbremse n. Bild 1-5H.
7 Brem seneinba u
I
7
6
Bild I- 57 Bremsanlage an eine m Rennwag en.
1 Bremsflü ssig keitsbehälter b rake fluid r es ervoir
2 Bremslichtschalter bre ite light swirch
3 vordere und hin tere Küh lluft kanale front era reer brakes air ducts
4 Bremszangen vorn front calipers
5 Hauptbremszyl inde r vorn (I) und hi nt en (rl front end rear brake master ey/inder
6 Bremspedal brake pedal
7 Verstell kne be l B rems kraft aufteilun g adjustabl e brake balance kn ob
8 Bremszan gen hinten re ar calipers
50'\ Lufts piel
t--H- 3
4
Bild I- 58 Bremssatteleinbau im Rad (Formel Ren au lt 2000 Vorderachse).
1 Rad
2 Bremssattel, radi al am Rad träger verschra ubt
3 arernsscnece. innenbelüftet
4 Rad t räger
1437
I Bremsa nlage
8 Auslegungskriterien von Bremsanlagen
Dimensioning criterions
Wesentliche fahrzeugbezogene Auslegungskriterien sind:
Gesetzlich e Bestimmu ngen hinsicht lich block icrfrcicr Mindcstabbrcm su ng und Blockic r-
rcih cnfolg c,
Bcladu ngszu ständ c,
Einfluss von Bremsenfading.
Motorbremsmoment.
Brc rnskrcisau sfall ,
Bremskraftverteile r (falls vorha nden),
Rctardcr (falls vorhanden).
Die aggregatbezogene Auslegung befasst sich vor allem mit der Dlmcnsionicru ng von Rad -
bremsen und Betätigu ngseinrichtungen. Auslegungskriterien ruf die Radbremsen sind:
Bremsenbauart (Schcibcn-, Trommelbremse),
Sta ndfestigkeit (Verschleiß, Beanspr uchu ng),
vorhandener Einbauraum.
zulässiges Druckniveau.
Ste ifigkeit (Volumc naufua hmc der Bremsflüssigkeit bei hydrau lischen Bremse n).
Auslegungskriterien fur die Betätigu ngseinrichtung sehlicßlich sind:
Pedal weg und Pedalkraft bei normalen Bremsbetätigungen. Vollbrems ungen und bei Aus-
fall eines Bremskreises oder des Brem skraft verstärke rs,
Kom fort an sp rüch e.
Einbauraum,
Kombination mit Systemen für die Bremskraftregclung.
9 Normen Standards
DlN ISO 611
DlN 70 024
Teil 3
Beiblatt z u
DlN 70 024
DlN 72 571
DlN 72573
DlN 74000
DlN 74200
DlN 74225
DlN 74233
DlN 74234
DlN 74235
438 1
Brcmsung von Kraftfahrzeugen und deren Anhängefahrzeugen. Begriffe
Begriffe für Einzelteile von Kraftfah rzeugen und deren Anh ängefahrzeugen.
Bremsau srüst ung
Übersetz ungen der Beg riffe von DlN 70 024 in Englisch, Französisch und
Ital ien isch
Befest igungs schellen. einseitige Befestig un g
Befest igungsschellen. zw e ise it ige Be fest igu ng
Zwcikr cisbrcmsa nlagcn, Kurzzeichen
Zylinde r. hydraulische Bremsanlagen
Bremsschl auchleitu nge n. Halter
Bremsrohrarmat uren . Überw u rfsch raube n
Bremsrohre . Bördcl
Bremsanlag e. G ewi ndelöch e r
J
Lenkung
Steering
Dcr Fahrer ei nes meh rspurigen Fahrze ugs hat eigentlich nur wenige Stellhebel zur Vcrfü-
gung um das Verhalten des Wagens in gewünschter Weise zu beeinflusse n. Ein wichtiges
System d ahingehend ist die Lenkung.
1439
J Lenkung
1 Anforderungen Requirements
Die Lenk ung dient dazu de n Sollk urs des Fahrzeuges über Le nkraddre hung d urch den Fah -
rer beizubehalten. Dabei stützt sich der Fah rer nicht nur auf Informationen, die ihm die
Augen liefe rn, sondern auch wese ntlich andere Sinnese indr ücke, z. B. die Wankneigung des
Wagenkastens , die über den Sitz auf ihn einwirkenden Seitenkräfte, das über das Lenkrad
ftih lbarc Rückstellmom ent der Reifen und die Schwimmwink clän dcrung des Fahrzeugs.
Folgende Anforderungen sind im Einzelnen von Bede utung:
Einschlagwinkcl de r Räder: Maxi maler Einschlag für engste Kurve der Strecke und z um
Gegen lenk e n bei Ausbrechen des Heck s,
Lc ichtgängigkcit,
SpielFreiheit ,
Rück lauf in die Mittclstcllung (Geradeausfahrt),
Sicherheit,
Kinematik: Isolierung von Reife nkräften vom Lenkrad, sowe it sinnvoll. d . h . keine Stöße
us w, we iter leite n,
Exaktheit u nd Sy m metrie, d . h . Le n keinschlag bewirkt eindeutigen Lenkwinkel d e r
Räder sowie na eh links und rec hts denselben Radeinschlag.
die Informationen über den Bewegungszustand des Fahrze ugs dureh das Lenkrad an den
Fahrer meld en,
geringer Bau raumbed a rf fü r gesa mte Lenk anlage.
Diese A nfo rderungen sind schwerer z u e rfüllen als es auf de n ersten Blick scheinen ma g.
Die Lenkung kann nämlich nicht losgelöst vom Gesa mtsystem Mensch-Fahrzeug betrachtet
werden. lm Gege nte il sie ist Stellglied in ei nem komplizierten Regelsystem. Der Fahre r
bewirkt durch Drehen des Lenkrads eine (direkte ode r nach einer vorgegebenen Gesetz-
mäßigkeit bestimmte) Wink eländerung de r Vorderräder. Die Reife n bauen durch de n her-
vorgerufenen Schräglauf Seiten kräfte auf und drehen das Fahrzeug um die Hochachse.
Diese Änderung der Fahrtrichtung ruft auch an der Hinterachse Seitenkräfte hervor, die
wiederum nur über Sch räglauf erzeug t werde n können. Auf diese Änderung der Stel lung
des Fahrzeugs reagie rt de r Fahre r d urc h Len ken . Bild J-l zeigt de n Verlauf von Schräglauf-
winkeln bei einem abrupten Einschlagen (Lcnkwinkclsprung, J-Turn). Der Reihe nach wi rd
zuerst den gelenkten Vorderrädern und erst nach einer beginnenden Drehung des Fah rzeugs
den Hint errädern ein Schräglaufwinkel aufgez wun gen . Der Wagen benötigt einige Seku n-
den , bis sieh ei n eingeschwu ngene r Zusta nd einstellt .
Zum Vergleich zeig t Bild J -2 die Zielbe reiehe bei der Pkw-Fa h rwe rkse ntwicklu ng. Diese
Werte betreffen ei ne stat ionäre Kreisfahrt mit einem Radius von !OO m.
2 Auslegung Terms
Gru ndsä tz lich g ibt es verschiede ne Arten die Ric ht ung ei nes Fahrzeugs gez ielt zu beei n-
flussen . A n mehrspu rigen Fahrzeugen mit Luftreifen finden sich Dreh schem ellenku ngen,
Knicklenku ngen und Achsschenkellenkungen. Diebeiden ersten Arten haben den Nachteil,
2 Auslegung J
3,0
2,5
,
Schr ägl aufwi nkel
hinten rechts
v= 100 km/h
2,0
1,5
Zeit t [5]
Lenk r adwinkel na ch link s
1,0
0,5
··· .. -r - ······················=·~·:·=·:·=·:r~
·············I···········~·~·~·;;~~~~;:~~;~~·_··I
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8
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•
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~2
•c
•
"
0
0
0
Bild J -1 Lenkw inkelsp rung an einem PKW, na ch [J06].
Da s Lenkrad wi rd be i diesem Versuch um 100" in 0.2 s einges ch lagen. Beim bet rachte ten kurvenä ußeren
Vorde r reifen wachst der SChräglaufw inkel dadu rch auf über r an. Der Sch räglaufw inkel des entspre-
chenden Hinterreifens ist über der betrachteten Zeit stets kleiner, Das Fahrzeug untersteuert also und d ie
Schräglaufwinkel klingen über der Zeit ab ,
LenkradWinke l - 1 I" !
r'dir1:'
b5b II II /901
bedarf
'.
[.J
0
20
40
'0
80
100
t' i:Ikkhjt
Lenkradmom ent
I
III
.. [Nm)
3
4
5
e
7
8
" I:(1/1//:1
hOl
Wankrate
!
2
~
,+,/a, [~Ig]
3
4
5
6
7
8
9
10
°
Schwimmwinkel
Ib((/:::1
, ["]
0
2
4
6
8
10
Bil dJ-2
Pkw-Zielwerte bei der
Industrie -
Zielbereich
Zielberei ch
Kreisfahrt. nach [J l 1].
s tanda rd
teil be laden
beladen
Stationäre Kreisfahrt mit
[
1
f7/1
100 m Rad ius
14 41
J Lenkung
dass sich beim Lenken die Standftächc verringert und Störkräfte an einem Hebelar m wir-
ken, der der halben Spurweite entspricht. Auße rdem können die Vorder- oder die Hinterrä-
der sowie alle Räder gelenkt werden. Bei schnellen Fahrze ugen hat sich jedoch eine Bauar t
allein durchgesetzt: Die Achsschenkellenkung a n der Vordera chse. In Folge wird deshalb
nur diese betrachtet. Die Drehachse des Radträgers bzw. "Ac hsschenkels" gege nüber der
Radaufh ängung (z . B. ein ••Achsschcnkclbolzcn'') ist im Allgemeinen während des feinen
Lenkvorgangs unveränderlich (reine Drehbewegung des Radtr ägcrs): inz wischen gibt es
aber bei Pkw auch Radaufh ängungen mit verä nde rlicher Drehachse ("virt ueller" Drehach-
se ).
2.1 Lenkwinkel , Spurdiff erenzwinkel Steer angle, A ckerm ann ang le
Die Fahrwerkhauptabmessungen Radstand und Spurweite haben bei gewünschtem Wende-
kreisdurchmesser einen direkten Einfluss auf den Lenkwi nkelbeda rf vgl. Kapitel B Kon-
zep t, insbesondere Bild B-7.
Fährt ein Fahrzeug eine Kurve sehr langsam, also gertau genommen ohne Seitenkraft.
dann müssen alle Räder tangential zu Kreisbahnen stehen, die denselben Mittelpunkt auf-
weisen. Diese Überlegung führt zur so genannten Ackermann-Beding ung. Diese idealen
Lenkwinkel am kurveninneren und -äußcrcn Rad nach Ackermann folgen gemäß Bild J·3
der Beziehung:
cotoA.o =cot Oj +1
Oj,OA.u
Lenkwinkel nach Acker mann [0], s iehe Bild 1-3
I
Radstand [mm]
j = bf - 2r0 Spreizungsac hse nabstand [mm]. siehe Bild J ·4.
Bei negativen Lenkrollradius wird das Vorzeichen
positiv.
Die Differenz der Lenkwinkc1 zwischen innen (i) und außen (0) ist der Spurdifferenzwin kel
(Lenkdifferenzw inkcl): &)A = Oj - 0A.O' Der Spurkreisdurchmesser Os folgt zu:
Ds = 211,;
Spurkreis durchmesser [nun ]
größter Einschlagwinkel des kurvenäu-
ßeren Rads [mm]
Man erkennt, dass für wendige Fahrzeuge der Radstand klein und der Einschlagwinkel
gro ß sein müssen. Die Einschlagwinkel sind begre nzt. durch die Gestaltung der Querlen-
ker (Kapitel H 7.1 Doppelquerlenkerachse), d urch den Platzbedarf für Ein/Ausfcdern bei
umschlossenen Rädern und durch den Beugewinkel de r Antriebswellen bei angetr iebenen
Achsen. Ein kurzer Radstand hat fahrdynamische Nachteile und ist kaum eine Lösung.
2 Auslegung J
8-
j
,
I,
fV,
I,
I
_ -..L-_~
_
•
.-
~
Rs
Bild J-3 Kinematische Zusam menhänge beim Kurvenfahren (Ackermann).
Fahrzeugverhalten bei reinem Rollen um den Pol M.
j Spre izungsachsenabstand auf de r Fahrba hn atsuoce of steering 8)(6S on roea. sie he Bild J- 4
0A,O Lenkwinkel am kurvenäußeren Rad s teering angle Duter wheel
0, Lenkwinkel am kurven inneren Rad sreering angle inn er wheeJ
M A Spurdifferenzwinkel Ackermann angle
Rs Sp urkre israd ius turning clrcle radius
I Radstand wheelbase
V Schwe rpunkt des Fahrzeugs veh /cle centre of gravity
E
Bild J-4
Streckenbezeich nun gen zu Bild J- 3 .
EG Sp reizungsachse (Lenka c h se) steering e as
j Sp reizungsachsenabstand auf de r Fah rb ah n
b 1 Spurwe ite vorne front tra ck
'a Lenkrollradius. in der Dars tellung pos it iv
scrub radius
-I
;G
L
- '--- __
,
_
S-__----,-i
_
b,
-I-
J Lenkung
M'
Bild J - 5 Ku rv enfahr t bei Ouerbescnle uniq onq.
(4,r Schräglaufwinkel (slip an gle) vorne c z w hinten, kurve ninnen bzw.
- außen
y Sc hw im mwinkel attitud e angle
M Pol nach Ackermann instantaneous Gen/re ace. 10Ackermann
M' tatsächlich er Pol
Fährt ein Fahrzeug eine Kurve, tritt tatsächlich eine Querbeschleunigung auf und die Reifen
müssen ei nen Sch räglaufwinkel aufbauen , da mit sie Seitenkräfte übertragen können. Der
Pol, um den sich das Fahrzeug dr eht, wandert dabei im Vergleich zum idealen Pol nach
Ackermann nach vorne, Bild J -5 .
Bei starker Motorisierung wird ei n Teil fehle nden Einschlags mit dem Fah rped al also
durch große Schräglaufwinkel an der Hintera ch se (Lcist ungs übcrsrcucrn) wettge macht. Ein
gewisser Einschlagwinkel wird jedoch für Fahrzeuge gebraucht, bei de nen ausbrechende
Wagen durch Gegenle nken abgefangen werde n müssen, etwa bei Rallye- und Raidfahr-
zeugen. In dem Fall machen sich auch variable Lenkübersetzu ngen bezahlt, wodurch der
Fahrer rascher (also ohne Umgrcifc n zu müssen) den erforderlichen großen Radeinschlag
erzielen kann.
Weitere Überlegungen zum Maximalein schlag ergeben sich durch das tatsächliche Ver-
halten der Reifen beim Kurvenfahren. In schnellen Kurven führt eine Ackermannausleg ung
dazu, dass die ku rvenäuß eren Schräglaufwinkel kleiner sind alsdie inneren. Es wird also
das Seitenkraftpotential nicht voll ausgenutzt, weil gerade die höheren Radlasten Kurvenau-
ßen mehr Seitenkraft zuließen. Wenn das kurvenäußere Rad einen stärkeren Lenkeinschlag
erhält als das innere (Bild J-6), spricht die Lenkung schneller an und zw ingt dem stärk er
belasteten kurvenäußere m Rad einen größeren Schräglaufwinkel auf. Die Seitenführung
der Vorde rachse kann aufdiese Weise erhöht werden, vgL Kapitel H 2.2 Entw icklu ngsziele.
Der Vorteil wirkt sichjedoch nur in schnell befahrenen Kurven aus; in engen besteht kaum
die Möglichkeit, die Seite nführungskra ft der Reifen voll auszu nutzen. Diese r Effekt dürfte
deshalb einen Einfluss lediglich bis zu Kurvenhalbmessern vonp = 20 m haben [Jüe] , was je
444 1
2 Auslegung J
Bild J-6
Erhöh ung de r Seitenführungskraft
vorne in weiten Kurven , also bei
geringen Lenkwin keln.
Das k urvenäußere Rad wird stärker
eingesch lagen als das k urveninnere.
Der Lenkdifferenzw inkel M ist also
negativ,
nach Fah rzeug einem Lenk winkel von 5- 100 entspricht. Bei größeren Einschlägen sollte die
Istk ur ve de r Spurdifferen z win kel sich d er Sollkurve (Acker man nwinkcl) wie de r annähern,
damit der Reifenversch leiß und der Rollwiderstand in engen Kurven reduziert werden. Bild
J -7 zeigt einen solchen Verlauf des Lenkdiffe renzw inkels.
Der Lenk winkel kan n also bei geringen Lenkwi nkeln an Innen- und Auße nrädern gleich
groß sein (Parallclci nschlag, d. h . Spurdiffe renzw inkel ist Null). So kann der zur Vcrfü-
gung stehende Platz besser genutzt werden.
Sollkur ve nac h Ackermann ~
. ..... .... ... +
,+_
j {,..
10
20
L enk wi nk el Innenrad Ö,
30
[.[
Bil d J -7 Verlauf eines id eal en Spurd ifferenzw inkels M.
Das Diagram m zeigt den Verlauf des Spurd ifferenzwinkels aufgetragen übe r dem Lenkwinkel des kurve-
ninne ren Rad s ä,. Z usätzlich ist de r Verlauf des Spurdifferenzw inkels M A nach Acker mann eingetragen.
Die Lenkabw eichu ng M F ist für einen Lenkw inkel eingezeichnet. Bei geringen Lenkwin keln schlägt das
kurvenäußere Rad meh r ein als das innere. Dazw ischen gibt es einen Übergangsbereich, in dem die Rä-
der pa rallel stehen und bei großen Einsc hlägen nähert sich der Verlauf bis etwa z ur Hä lfte der Ackertne nn -
Kurve.
1445
J Lenkung
Die Abweichung vom idealen Ackcrmannwinkcl wird Lenkfehler gena nnt:
.601' = Öo - 8A•o
= IlÖi\ -.6ö
&)1'
Lenkfehle r. besser: gewollte Lcnkabwci-
chung [0]
f\bzw, 0 Len kwi nkel innen bzw. außen
tJi)A
Lenkdifferenzwinkel nach Ackerman n [°1,
&)A= 0;- 0A,O
1Ji)
gewollte r Le nkdifferenz winkel [0],
M =Oi- ou
Die Lenkung soll somit einen Verlaufder Lenkwinkeldifferenz erzeugen wie erin Bild J-7
dargestel lt ist.
Manchmal wird die Abweichung von der Ackcrmannaus1cgung auch in Prozent ausge-
drü ckt:
M
Prozent Ackcnnan n = ---\00 %
MA
0 % Acke rma nn: Parallelei nschlag
100 % Ackerma nn: Der gewollte Lenkdiffe-
renzwinkel entspricht gcnau dem Differcn-
zw inkcl nach Ackermann
Ein Nebc ncfTckt einer Abwe ichung von der Ackermannauslegung ist ein kleinerer Spur-
kreisdurchmesser bei sonst gleicher Fahrze uggeometrie [J06]:
ro
,
gewollte Lenkabweichung (0)
Spurkreisdurchmesser [m]
Lenkrollradius [m]
Radsta nd [m]
Man erkennt. dassje I" Lenkabweichung derSpurkreisdurchmesser um 0.1 m kleiner wird.
Die maxim alen Einsehlagwinkcl bei Pkw liegen im Bereich von 45 bis 50". bei Formel-
wägen genügen im Allgemeinen Werte um 20".
2.2 Kenngrößen der Lenkgeometrie
Parameters of steering geometry
Die Stellung der Vorderräder wird durch verschiedene Ken ngrößen beschrieben. wie sie
teilweise im Kapitel H 2.1 Fuhrwerk bet rachtet werden. Dazu kommen noch weitere Grö-
ßen, die nicht durch einen sichtbaren Konstruktionsparam eter dargestellt werden können.
sonder n die rech nerisch aus mehreren geometrischen Größen hervorgehen. Sie sind für die
Beurteilung und Ausleg ung von Lenkgeometrien hilfreich.
Der Spreizu ngswinkel a und der Nachlaufwinkel T beeinflussen wesentlich die Ände-
rung des Radsturzes [;beim Einschlagen des Rades. Die Lenk- oder Spreizungsachse EG
schneidet die Fahrbahn im Punkt A. Derhorizontale Abstand des Radaufstandspunkts W
von A in der Ansicht von hinten heißt Lenk rollradius r". obwo hl der Radaufstand spunkt
W beim Lenken im Allgemeinen nicht mit diesem Radius umläuft. weil der tatsächliche.
2 Au slegung J
/
,,
EI
\r
\
•
~Z
\
\
A
n,
x
Bild J - 8 Kenng rößen vo n L enkge ometrien. n ach [J03].
Ansicht von hinten (links. Ou ereb en e YZ) und An sicht von de r Seite (rechts, längsebene XZ)).
(J
Sprelzunqswmker king p in inclination angle
' a Sp reizunpsvers atz aeuecaon tor ce tever arm
r
Nach lauf w ink el castorangle
'"k Nachlaufstrecke trai!
f" Lenkrollradius scrub radius
n, N ach lauf ver sat z eastor trai! in wheel centre
räu mliche Abstand der beiden Punkte g rößer ist. In der Seitenan sicht wird der Nachlauf
sichtbar. Die Spreizu ngsac hse ist mit dem Nachlaufwi nke l r gegen d ie Se nkrec hte geneigt.
Die Radmitte muss nicht auf der Projektion der Lenkachse liegen, sondern kann um einen
Nachla ufversatz nr nach vorn (positive X-Richtung) oder nac h hinten (negative X-Richtu ng)
verschoben sein. Der Absta nd de r Punkte Wund A in der Seitenansicht wird Nachlaufstre-
cke "t.k genannt. Wird ein negativer Nachlaufversatz nr (also in negative X-Richtung) vorge-
sehen, so verkleinert sich die Nachlauf.strecke rr.k um diesen Betrag und die Sturzänderung
beim Lenken wird günstiger.
Entsprechend zu m Nachlaufversatz wird ein Sprcizungsvcrsutz "a bezeichnet. Das Ist
der horizontale Absta nd der Radmitte von der Spreizu ngsachse in der Ansicht von hinten.
Dieser Absta nd wird auch als Längs-, Stör- oder Antriebskrafthebelarm bezeichnet, weil
sämtliche vom Reifen kommende n Kräfte beim rein rottenden Rad über die Radlager im
Radmittelp unkt an den Radträger und somit auch an die Lenku ng weitergeleitet we rden,
Bild J-9 zeigt Zielwerte fiir einige Kenngrößen aus der Pkw-Entwicklung.
Störkraft-
hebela nIl
[~J
,
ac
,
ao
..
F"
so
,..
ac
[
ac
~.:::.::::[:§-:==~~-
= -20
-10
0
I!!! 10
Len krollradiu s
linke s Rad
r. (I\'II\'I)
Nachl aufst recke
linkes Rad
r., . lnrnJ
,
I
e
ro
Industri e -
standard
$ ===e.
15
20
25
Zielber ei ch
=
Bild J-9
Zielbereiche von Kenngrößen
von P k w-Vo rderachsen, nach
[Jll].
1447
J Lenkung
z
Bild J-10
Kräfte am vorce rreuen
Da rgestel lt ist ein linker
vorderreiten .
W
Badautstanosocnkt
A
Schnit tpunkt der Sprei-
zungsachse m it der
Fahrba hn
EG l enk- oder Spreizungs-
achse
ö
l enkwinkel
Fw,x, t" Bremskraft
Fw,Y Seitenkraft
Fw, z Radlast
(t.~ Nachlaufstr ecke
castor frail in wheel centre
'd
Reifennachla uf
pneumatic trail
Mit den gena nnte n geome trisc he n Größen, welche die Radst ellu ng besc hre iben. könne n die
W irku ngen von Reifen kränen berechne t werden .
Greift eine Bremskraft F W•X
•
b in X-Richtung am Reifen an. so liefert diese zusammen
mit dem Lenkrollradius ein rä umliche s Moment um die Z-Achsc [J03]:
AIA.z.b =FW.X•b • ';'-
M A.I . ,b Moment der Bremskraft um de n Schnittpunkt Ader
Lenkac hse [Nm]. Dieses Mome nt dreht um die Z-Achse
und nicht um die Lenkachse.
FW•X
•
b Bremskraft eines Reifens [N]
1"0
Lenkrollrad ius [m]
Das Moment um die Spreiz ungsac hse erg ibt sich aus der Proj ektion des Mome nten vektors
auf diese :
M A.b = FW.X .b 'ra ' cOSU'COST
l\.f A
.
b Moment der Bremskraft um die Lenk-
ac hse [Nm]
Man erke nnt. dass mit größer werdendem Lenk rollradius 1"0 d as Mome nt der Bremsk raft
wächst. Aus de m Grund soll der Lenkrollradi us möglichst klein sein. Dann wirken sich
unterschiedl iche Reibverhältnisse beim Bremse n nicht so stark auf die Lenkung aus. Bei
Pkw werden auc h negat ive Le nkrollradien (d. h . 1 '0 weist vom Rada ufstandspunkt W nac h
auße n) eingesetzt m it de m Ziel bei ung leichse itig wirken de n Bre msen e ine n stab ilisiere nde n
Gegen lenkeffekt zu e rzeugen . Geo met risch bede utet ein negat iver Le nkrollh alb messe r.
dass die Gelen kspunkte E und G des Radträgers weiter zur Radmitte rücken müssen und
dadu rch die Bremsscheibe weiter nach außen verlegt werden muss. Das kan n bei schmä-
leren Tiefb ett felge n einen Du rch messer verlust der Bre mssche ibe von e twa 25 mm z ur Folge
haben. wenn der Felgendu rchmesser gleich bleibt.
448 1
2 Auslegung
Entspr echend der Bremsk raft wirkt ei ne Seitenkraft Fws über den Längsabsta nd zwis chen
der Kraft und dem Durchstoßpunkt A der Lenk achse mit der Fah rbahn. Der Gesamtabstand
ergibt sich aus der Summe von kinemat ischem Nachlauf [Nachluufstrcckc rü ) und Reifen-
nac hlauf rt,T'
Dadurch dass die Lenkachse nicht senkrecht zur Fahrba hn steht, ändert sich der Abstand
der Radmitte zur Fahrbah n zwangsläufig. Dabei hebt ode r senkt sich der Vorderwagen beim
Lenken. Die Radlast hat also einen Einfluss auf das Lenk moment, das vom Fah rer aufgc-
bracht werde n muss. Rechnerisch wird diese Erschei nung durch den Radlasthebela rm q
erfasst. Der auf die Z-Aehse bezogene Radla sthebelarm ist :
J
q=li.7
· tanr+ li- .k -tanc
q Radlasthebelar m [rnrn]
Winkel und Längen: siehe Bilder J-8 und J-1O
Eine Radlast übt kein Moment um die Lenkachse aus. wenn diese senkrecht steht oder die
Vcrtikalkraft dic Lenkachse schneidet.
Der Radla sthebela rm q wird positiv definiert. wenn das von der Radla st erzeugte Moment
rückstellend wirkt. es also den Betrag des Lenkwinkels 0 zu verkleinern versucht. Weil
die Räder in dem Fall von der Radlast in die Gerad eausstellu ng bewegt werden. spricht
man auch von einer G ewichtsrückstellung der Lenku ng. Diese Festleg ung eines positiven
Radlasthebcla rm s bedeutet. dass die Radlast rückstelle nd wirkt, sobald q und 0 das sclbe
Vorzeichen haben.
Der Radlasthebclar m ka nn auch als Änd eru ng der Höhenlage des Vorderwagens über
dem Lenkwi nkel angesehen werden:
dz
q=--
d8
Bei positivem Radlasthebela rm q führt also eine Lenkbewegung mit positivem Lenkwinkel
/) (das ist der kurveninnere Radcinschlagj zu einer A nhebung des Wagenkaste ns.
Der Radlasthebelar m sollte möglichst klein sein, da mit sich Schwankungen der Radlast
nicht störend auf die Lenkung ausw irken.
Die Gew ichtsrückstellung ist allerdings praktisch nu r in der G eradea usstellung von
Bedeutung. Bei schn eller Fahrt und größeren Lenkwinkeln sind die Rückstellm o mente der
Seitenkräfte wesentlich größer. Bild J-II .
Im Allgemeinen sind die Lenkwi nkel bei hohen Geschwindigkeiten klei ner als in lang-
samen Kurven. Deshalb ist es in dem Zusammenhang egal, welchen Spurdifferenzw inkel
die Vorde rräder aufweisen. also z . B. Ackermannauslcg ung oder Paralleleinschlag. Durch
den Schräglauf sä mtlicher Räder wandert die Kurvenmitte M nach vorne. Das am Lenkrad
spürbare Moment erzeugen in erster Linie die Seitenkrä fte FW.y.faus Schräg lauf Die Rück-
stellwirkung der Radlasten fallt dagegen gering aus. Die Schräglaufseitenkräfte greifen im
Gegensatz zu den Sturzseitenk räften FT.Y,r u m den Reifennachlauf rt.T hinter dem Rada uf-
standspunkt W an und sind kurvenaußen wegen de r Radla stverlagerung zu den Außenrä-
dern größer. Wird die Vorderachse angetr ieben kommen zu den Kräften im Bild )-11 noch
die A ntriebskräfte hinzu. die über den Störk rafthebela rm (defiectionforce tever arm) "e um
die Lenkachse d rehend wirken. Das Rückstcllmoment a m Lenkgetriebe wird mit sämtlichen
Kräften [103]:
1449
J Le nkung
r ,,1, "·
A,,1J;~- --
.-
-
W!.J -
»->:
Fr••.••••1
.
.-
~~~-~ ----
F•. •••• o
--- e
--------
~o_
IF.,r,.,.
I
i
+--
I
iI
I
I
•
Bild J -11 Lenkungsrückstellung bei hoher Querb eschleunigung. n ach [J03].
A Durchstoßpun k t de r Lenkachse durch d ie Fahrbahn inrersection ooun king pin eas wlth rcea
W Reifenaufstandspunkt Iyre contact point
Ind izes:
a
Sc hräglaufwinkel slip angle
i bzw. 0 innen bzw. außen
M Kurvenmitte cemre of corner
f ozw r vorne bzw. hinten
'/
_
FW.Y .f.\l •(Ir.k ,to + 'r.T.Co) - FT,Y,E:.f.o • 'r ,k.r.D - FW.Z.f.o
. qr.tl - Fw.x .a.t:o . ra.f,o
ff~ -
•
+
Ir ,o
Fw. Y.f.i
. (""k.r.! + rr,TJ.d + FT,v ,c .f.! " r .k .r.1+ FW.Z.fJ 'I.{r,l + Fw,X.a.r.i 'Ia.f.i
i, ',i
= Msg
iSg
" 1.1<
I"t ,T
FW,y
F T,Y.f
Fw.z
FW•X•a
'.,
;T
MH
iSg
Moment <I m Lenkgetr iebe mit Drehbeweg ung (Nmm]
kinematischer Nachlauf [mm]
Reifenn achlauf [mm]
Seite nkräfte durch Rcifcnschräglauf[N]
Seit enkräft e d urch Reifenstu rz (N]
Radlasten [N]
Antriebskraft an einem Rad [N]
Antriebskrafthebela rm [rnm]. siehe Bild J-8
Lcnkgcstängeübcrsctzung [-I . siehe Bild J-45
Moment am Le nkrad [Nmm]
Lenkget riebeüberset zung [- I
2 Auslegung
Bei den meisten Rada ufh ängu ngen nimmt der kinemat ische Nachlauf rt.k über dem kur-
veninneren Lenkwinkel () zu und über dem kur venäuß eren ab. Mit zunehmender Querbe-
sch leunigung nimmt der Reifen nachlau f "e.r ab. Dad urch wird der Einfluss der kurvenäu-
ßeren Seitenkraft FW.Y,t:o imm er kleiner und er kann sogar schließlich umgekehrt wirkend
werden. d. h. die Seitenk raft will den Betrag des Lenkwinkels vergrößern. Das wirkt sich
aber im Allgemeinen nicht in dem Ausma ß aus. weil d ie Lenkgestänge-Übersetzu ng beim
kur venä ußeren Radeinschlag im Gege nsatz z um ku rvenin neren wächst. So si nkt der Bei-
trag am Lenkmoment des kurvenäuß eren Reifens gegenüber dem kurveninn eren.
Durch die räumliche Neigung der Lenka chse zur Fahrbahn (Nachlauf- und Sprcizungs-
winkel) ände rt sich beim Lenken der Sturzwinkel des Rads. Man erkennt die Tenden z bei
folgende r Betra chtu ng. Weist die Lenkachse kei nen Nachlaufwinkel auf' {r == In und ist der
Sturz in Gerad eau sstell ung {)O, so wird bei einem Lenkeinschlag () von 9()0 der Betrag des
Sturzwinkcls genau die Spreiz ung. Bei ge nauerer Betrachtung der Situation erkennt ma n
folgendes. Bild J-t2 . Die Radmitte Ur bewegt sich beim Lenk en um die Lenkachse EG
auf einer Kreisbah n. ln der Seite nansicht erscheint diese Bah n als Ellipse. Die Tangente an
diese Bahnkurve in der Geradeausstellu ng (0 == 0°) ist unter dem Nachlaufwinkel r geneigt.
Der zugehörige Krümmungsradi usp wird durch den Pol P bestimmt. Der Pol selbst ist der
Schnittpunkt der Lenkachse mit der Vertikalebene durch Ur. Aus der Geometrie folgt:
p = 1(,- /(tan(J" ' eos r)
Die Krü mmu ng der Kurve f «()) ist also dem Sprcizungswinkcl n prop ortional. Eine positive
Spreizung k rümmt die Kur ve bei Lenkeinschlag z u positiven Sturzwinkeln hin.
Die Änderu ngsrate des Sturzes über de m Lenk win kel hängt vom Nachlauf- und Sprci-
zun gswi nkel ab [J03]:
J
tanr :cosö+tano 'sinö
Sturzwinkel [0]
Lenk winkel [0]
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G
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Bild J -12
Einfluss von Nachlauf u nd
Spr eizung auf die Sturz-
änoerunq.
VI Radmitte Vorderrad
,) Lenkwin kel
P Polder RadmitteVI
p Krümmungs radi us der
Bahnkurve von V I
1451
J Lenkung
•
:; 40
QJ 30
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20
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2468
-10 SturzE[0]
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( rom]
Bild J -13 Verlauf von Sturz , Nach lauf und Rad lasthebe la rm q be im Lenken, nach [J03].
o
r
'"
r"k
a
5·
3'
50
16
b
12'
3'
0
16
c
12'
g'
15
5
d
12·
g.
0
5
c(o_ 00)_0'
Reifenr adius 300 mm
In Hild J -13 we rden die Auswirkunge n einiger u nt erschiedlicher Ausleg unge n vo n Lenk-
gco mcmcn gege nüberges tel lt.
Ausführung a weist eine ge ringe Spreizu ng und ge ringen Nachlauf auf und hat daher
größere Abstände zum Rada ufsta nds punkt . a lso Lenkroll radius Ta und kine matisc her Nach-
lauf "r.k - Die Varianten c und d haben die größten Winkel bei Spreizu ng und Nachlauf und
unte rscheide n sich nur im Lenkrollra dius .
Die Tangente des Sturzverlaufs bei Lenkwinkel = 00 der Ausführungen c und d verläuft
wesentlich flacher als jene der übrigen Kurven. Die Neigung der Tangente der Kurve n a und
b ist etwa drei Mal größer, was de m Verhältnis de r Nachlaufwinkel r entspricht. Die größere
Spreizung der Variante b krü mmt die Kurve wesentlich stärker alsjene der Variante a. Das
führt daz u, dass ab einem Lenkwinkel von - 30" (also kurvc naußc n) der Sturz positiv wird.
Der Nachlauf wird kurveninnen bei allen Ausführu ngen großer. Ebenso nimmt der Nach-
lauf k urvenaußen bis zu negativen Werten ab, erreicht also soz usage n Vorlauf.
Bei sä mtl ichen Varia nten t r itt de r Effekt de r Gewic htsrüc kste llung in der Ge radea usste l-
lung auf, weil der Radlasthebelarm q beim Lenkwinkel 0 = 0" positiv ist. Beim kur veninne-
ren Rad ist das auc h be i a nderen Lenkwinkeln gegebe n, bei de n kurvenäußere n Räde rn erst
ab einem gewisse n Lenkwin kel. De n g rößte n Einsc hlag brauc ht dabei erwart ungsge mäß
Ausführung a. nämlich0 = - 30".
Ist d ie Nachlaufstrecke rr.k ungleich Null, beweg t sich der Radau fstandspunk t beim Len -
ken q uer zu m Fahrze ug. Sind d ie Nachla ufst recken be ider Räde r de r Vorderachse gleic h,
führt das zu einer Querverschiebung des Vorderwagens . In Geradausstc1lung ist das jeden-
falls bei allen Ausführ ungen gegeben . Umgekehrt bewirken unterschiedliche Nachlauf-
strecke n eine Relat ivbeweg ung beider Räder zue ina nder in Q ue rr icht ung. Das erhö ht die
2 Auslegung
Reife ndefor mation und somit die L enkkräfte. Die Varianten b und d haben einen Lenk rolI-
radins von 0 rnm, beim Einschlagen bewegen sich der en Radaufstandspunkte aber dennoch.
weil ja der Nachlauf von Null verschieden ist. Wollte man realisieren. dass beim Lenken
das Rad sich tatsächlich auf der Stelle dreht. müsste die Lenkachse die Fahrbahn im Rad-
aufslandspunkl W schneiden. Dann wären sowohl der Lenkrollradius als auch der Nachlauf
gleich Null.
2.3 Lenkübersetzung Steeri ng ratio
Ist der erforde rliche max ima le Einsc hlag winkel festgelegt . muss die notw endige Über-
setz ung zw ischen Lenkrad und den Vorderr äde rn best immt werden. Gesetze bei Stra-
ßenfahrzeugen und Regle ments bei Renn fahrzeugen fordern (bis heute) eine permanente
mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und den gelenkten Rädern. Die Übertra gung
der Lenkbewegung vom Lenkrad auf die Fahrze ugräder geschieht über das Lenkgestän-
ge (Spurst augc n. Lenkschubstangen us w.), welches von einem Lenkget riebe betätigt wird.
Letzteres hat eine innere Übersetzung isg. um die Lenkradkräfte zu reduzieren. Auch das
Lenkgestänge weist eine im Allgemeinen mit dem Lenkeinschlag veränderliche Überset-
zung zwischen dem Lenkgetriebe und den Fahrzeugrädern auf.
Die kin emat ische Lenküb ersetzu ng is vom Lenkr ad zu den Fahr zeu grädern errechnet
s ich aus de m Lenkradwinkel ÖH und de n Radein schlagwinkeln zu :
is=Oll/Dm
i s kinematische Lenkübersetzung [-J
Oll Lenkr adwinkel [0]
om mittlerer Einschlagwinkel der Räder ["] . 0m= (00 + Oj)/2
Die Übersetz ung wird im Allgem ein en nicht über den gesa mten Lenkbe reich konstant se in.
Deshalb gilt obige Gleichung nur für Winkelb ereiche von Lenkrad- und Einschla gwinkel.
Die Lenkgesamtübe rsetz ung wird nach unten beg renzt von der Direkt heu des Lenku ngs-
ans prechens bei hohen Fahrgeschwindigkeiten; hier sind Wert e unterhalb von 14 für Pkw
selten. Die obere Grenze folgt aus der Höhe des zumutba ren Lenkaufwands im Parkier-
J
-
ß- '-t-'- EJ
Bild J ·14
System übersicht Ach ssch enkellenk ung.
Der Lenkwin kel 0H am Lenkrad w ird über das Lenkgetrie-
be mit der inneren Über setzu nq isg und über Gestänge in
Lenkwin kel <\ 0 bzw. ,l i der Räder außen bzw . innen umge-
setzt.
1453
J Lenkung
boreich. dies hängt somit unmittelbar mit dem Vorha ndensei n einer Se rvounte rst ützung
z usammen und übersch reitet ei ne Übersetzung von 20 kaum. Konstruktiv entspr icht die
Lenkgesamtübersetzu ng de m Produkt aus Lenkgestänge- und Lenkgetriebeübersetz ung.
Für die Lenkgestängeüberset zung muss dab ei de r Mittelwe rt a us kur venä ußere m und kur-
voninnere m Le nkeinsc hlagwinkel berü cksicht igt werden . Bei beka nnten w irksamen Spur-
hebeln (Projektion de r Hebel in ei ne zur Spreiz ungsachse nor male n Ebene) lässt sie sich aus
dem Verhältnis Spurhebel z u Lenkstockhebel bestimmen.
Die kinematische Lenkübersetzung unterscheidet sich von den reale n Verhältnissen
da du rch, d ass sä mt liche Übe rt rag ungsg lieder Elastizitätcn und Spiele aufwe isen. Dad ur ch
kann das Lenkrad ged reht werden, ohne dass die Räder sich bewegen. Wie groß solche
Abweichungen im Stand sein können, veranschaulicht eine Messung an einem Pkw mit
Zahnst a ngenlenk ung. B ild J-IS.
40
70605040302010
"j .._.. ... .. ;. .-
203040506070
l enkr adm Qment IN m]
Bild J -15 Elastizi tätsmessung an einer Pkw -lenkung im Sta nd. na ch [J06].
Die Räde r w u rd en b ei der M essung festgehalten und ein Moment am Lenk rad aufgebrach t. Erwa rtungs-
gemä ß nimmt die Nach giebigk eit M H,a am Lenkrad m it steigendem M om ent zu. Allerd ings nimmt der
Wider stand , also d ie Steifigkeit der Lenkung zu, die Kur ve w ird flacher. Das Lenk rad wird nach rechts
und links gedreht. Dabei tritt eine Hysteres e auf und beim unbe lasteten Lenkrad verbl eiben Restwinkel
M H.Ra·
Die tatsäc hlich wirks ame Lenküberset zu ng. die der Fa hrer beim Fahre n feststellt, ist die so
gena nnte dy nam ische Lenkübersetzu ng und ergibt sich aus der kinematischen Übersetzu ng
durch Überlageru ng de r Nachgiebigkeit der Übert rag ungsgl iede r:
dyna mische Le nkübersetz ung [- I
elastische Nachg iebigke it a m Len krad [O}
Lenkwinkelbereich am Lenkrad , bei de m &)Il.c auftritt [0]
Das, was de r Fahre r empfindet. ist also eine Vergrößerung de r Lenkübersetzung durc h Ela-
stiz itäte n in de r Lenk anlage. Das Le nkr ad muss fü r einen besti m mten Einschlagwi nkel der
Räder tatsächlich weiter gedreht werde n. als es theoretisch notwendig wäre . Mit wachsen-
dem Lenkmoment - z . B. durch aerodynamische Abtr iebskräfte oder im Gelände - nimmt
der A nte il der Nachgie bigkeit zu.
454 1
2 Au slegung
Durch das Zusammenw irken von mehreren Ge1cnksketten kommt es bei Pkw-Lcnku ngcn
m it Zahnst angengetri ebe auch zu unge wollten Ä nderungen der ki nemat ischen Len kübe r-
set z ung über dem Lenk winkelbereich. Nat urge mäß schneiden hierbei die Frontt rieblet mit
den dur ch Motor und Get riebe bee ngten Platz verhältnisse n schlechter ab, als Fahrz euge mit
Stan dardant rieb . So bet rägt der Übersetzungsabfall ausgehend von der Gerad eausstellung
bis zum vollen Lenkei nschlag einer Seite bei Fronttr ieblern zwischen 17 und 30 % , bei
Fahrzeugen mit Hinterradantrieb beträgt der Abfall nur 5 bis 15 % [J06].
Tab. J-1 Lenkübersetz ungen von verschiedenen FahrzeU 9c'c"'---
-r-
_
J
Tou renwagen
1998 [J04]
Formell (max.
ca. 20
0
Len k-
winkel am Rad),
abhängig von
Strec ke und
Fahrer wu nsch
Formel Rena ult
[Jl0](max. 16°
Lenkwinkel am
Rad)
Pkw [J07)
13:1 bis 16:1
Ohne Unterstü tzung 9 bis 12: 1
IJ16].
14: 1,d. h. 1.5Umdrehungenvon
Anschlag zu A nschlag IJ02].
5,4:1 o.h. ca.0.6 Umdrehungen
von Anschlag zu Anschlag [J12]
ca. 10 :1 d. h .0,9 Umdrehungen
von Anschlag zu Anschlag
14bis20:1,o.h,4bis5Um-
drehu ngen von Anschlag zu
Anschlag
KurekGI 6.
Eige nbau Spo rt-
wa gen
Mercedes CL K -
C297 Klasse
[J08]
Mercedes C·
Klasse (OlM
'94) [J08]
Fore Focus
WRC06
0.75 Umdreh ungen von
Anschlag zu Anschlag
12: 1 m it Un terstüt-
zung. d. h. 1.5Umdre-
hungen von An sch lag
zu Anschlag
1,5 Umdreh ung en von
Ansc hlag zu Anschlag
1,5 Umdreh un gen von
Anschlag zu A ns chlag
Lenkübersetzungen und g rößte Lenkwinkel von Rennfah rzeugen werden st recken abhängig
an extreme Verhält nisse angepas st .
Für den engen Stadtkurs in Monaco weisen Formel-I -Fahrzeuge einen maximalen Lenk-
winkel von ca. 22
0
auf[J14].
Eine Möglichkeit dem dennoch erforderlichen Kompromiss einer bestimmten Lenküber-
setzung zu entgehen bieten Lenkgetriebe mit variabler Überse tzu ng.
Im Pkw-Bau schon lange Standa rd gibt es diese im Rennsport erst seit kurzem. Die Ent-
wicklungsziele sind allerdings auch nicht dieselbe n. Im Ren nfahrzeug muss sich die Über-
setzung währen d eines relativ geringe n Lenk wi nkels ändern und die Übersetzung muss
60
50
o
-------_ 1>
200
400
Lenkrad winkel [ 0)
Bild J -16
Varia ble Len kübersetzung eine r hyd raulisch un te r-
st ützen Za hnstangenlenkung an ei nem sport-
lic hem Pkw (porsche 911 Carrere). nach [J19].
a Modelljahr 2005, Be i kleinen Len kradeinschlä -
gen liegt die Überse tzung ähnlich der des Vor-
g ängermodels bei 17,1 : 1. Bei Lenkradwinkeln
von mehr als 300
wird die Le nkübersetzunq
zunehmend direkter, bis zu 13,8: 1.
b Vorgän germodell m it konst a nt er Übersetzung.
1455
J Lenkung
-
,
Bild J-17
Verlauf einer variab len Len küberset zung üb er
d em Lenkradwinke l f ür ein Formel-l -Fahrzeug.
nach [J18).
a variable Lenkübersetzung
b konsta nte Lenk übersetzunq
o
50 100 150 200
l enkradwinkel [ 0]
bei kleinen Lenkwinkeln groß sein. In schnell durchfahrenen Kurven, also über 200 km/h,
sind die Lenk winkel klein , die großen aerodyna mischen Abtriebsk räfte lassenjedoch hohe
Querbeschleunigu ngen zu, die die Lenkkräfte für den Fahrer bei konstanter Lenküberset-
z ung entspr echend erhöhen. Umg ekehrt sind die Lenkwinkel in langsameren Kur ven, also
um ca. 100 km/h, wesentlich größer und die Abtriebsk räfte kleiner [J18].
Eine vari able Lenkübersetzung bringt dem Fahrer so ergonomische Erleichteru ng, di e
sich vor allem bei langen Strecken be merkbar macht. Das Verha lten ein er solchen Len -
kung ist jedoch auch für Fahrer, die auf konstante Lenkübersetzu ng trainiert sind, gewöh-
nun gebed ürftig. Der Lenkradei nschlag in sch nelle n Kurv en ist nämlich im Vergleich z ur
konventionellen Lenku ng größer und kann vom Fahrer falschlieh als Untersteuern interpre-
tiert werden . Ebenso ist das vom Fahrer aufzub ringende Lenk moment in schnellen Kurven
geringer, was von ihm mit dem Fahrze ugve rhalten bei geringere r Reifenhaft ung verwech-
selt werden kann.
Die Arme des Fahre rs sind bei den üblichen Formelfahrzeuge n während des Ren nens
kaum überk reu zt und der Fahrer mu ss beim Lenken auf den gängigen Streck en nicht
umgreifen, d . h . der maxim ale, ergonomisch sinnvolle Lenkradeinschlag ergibt sich durch
das Berühren der beiden Handgelenke.
2.4 Lenkunt erstützung Steering assistance
Die max. Handkraft darf aus ergo nomischen Gründen 250- 40()N nicht übersteigen [JOI].
Lenk hilfeeinrichtungen sind bei einigen Rennfahrzeugen erlaubt. Allerdi ngs so wie bei
Straßenfahrzeugen nur in de r Art, da ss auch bei Ausfall der Unterstützung die Räder noch
von Hand gelenkt werden können.
Bei Formel-I -Fahrzeugen erweise n sich ca. ]0 % Hilfskraft einer Servo-U nterstützung
als obere Grenze, damit das nötige Fahrbahngefühl für den Fahrer erhalten bleibt [J02].
Als Beispiel des technisch Machba ren zeigt Bild J-18 die Unterstützungskennlinien
ei ner elektromecha nischen Lenkung ei nes Pkw. An der Zah nstan ge greift neb en dem Ritzel
von der Lenk welle ein zweites Ritzel an, das von einem Elektromotor angetrieben wird.
Die Unterstütz ung durch den Elektromotor wird von ein em Steuergerät in Abhängigkeit
von der Fah rgeschwindigkeit und dem aufgebra chten Lenkmomen t eingestellt. Zusätzl ich
erlaubt ei ne akt ive Rücklaufunterstüt zu ng in die Mitt ellage der Zahnst ange eine präzise
Abst immung der Lenk ung.
3 Lenkwelle J
o kmfh
5 kmfh
60 km/h
-
100 kmfh
-
250 kmfh
•
•
_
_
_
_
_
_
_
___
_
_
_
_
_
L_'
,
,
,
,
,
.....•.....L
...
.,
i,
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4
6
Lenkmome nt [Nm]
2
4 + ····························,
·········· ···· ·······
,·
I
E
Z
•3,
, ..........................• ,..• .. ./
o
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~•~2+
+/
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"•
"
•
•• 1 + ......... ..... .. ..+,r:
•
s
Bild J -18 Unterstützungskennli nien einer elek tromechanischen Pkw-Len kung. nach IJ13].
Das unterstützende Moment eines Elek trom otors ist abhängig vomaufgebrachte n Len kmoment des Fah-
rers und der Fahrgeschwind igkeit.
3 Lenkwelle Steering shaft
Die Lenkwelle übert rägt die Lenkbewegung des Fah rers zum Lenkgetriebe. Die w ellen-
durchm esser betr age n bei Stahl je nach Lenkrad du rch messer und Wellenlä nge etwa 15 bis
22 mm . Es kom men Hohl- und Vollwellen z um Einsatz. Das Auslegu ngskriteriu m ist im
Allgemeinen nicht das Maximalmoment. das der Fahre r mit seinen Ar me n scha fft. sonde rn
die (Torsions-)Steifigkeit de r Lenkanlage.
Nu r in de n wenigsten Anwe ndu ngsfallen ist d ie Verbind ung zwischen Le n k rad u nd
Lenk get rieb e d urch eine ein fache und gera de Verbind ungswelle (Lcnk spi ndcl) zu realisie-
re n. Häufig werden Lenkspind el n mit eine m oder zwe i Winkelgelenken ausgefü hrt. Üblich
sind Kar dang elen ke, z . B. Bi ld J-19. Gleich laufgele nke hab en sich für d iese n Einsatzzweck
n ich t b ewäh rt. Werden solche Gele nke spielfrei ausgefü hrt. wird d ie Re ibung u nzweck mä-
ßig hoch . Ist umgekehrt das Reibungsverhalten an neh mbar. wird das Spiel zwischen den
Kugeln und der Laufbah n zu gro ß. Wellengele nke sind jedoch nicht nur aus Platzgrü nden
vorhan de n , sonde rn haben zusätzlich de n Vorte il, dass bei eine m Unfall d ie Lenkwelle in
Längsrichtung nachgebe n kann. Mit der Anzahl de r Gele nke nimmt allerdings das Lenk-
spiel z u. Diese Gelenke sollen dah er möglichst drehste ifsein. Um die wirksa men Spiele z u
reduzieren, za hlt es sich aus, einen g rößere n Durchmesser für die Gabeln zu wähle n als es
von den K räften her erforderlich ist, Bild J -20.
Lenkwellen. d ie zwischen den Füßen des Fahre rs a ng eo rd net sind, müsse n bei drei Pcda-
lcn seitl ich ve rsetzt eingebaut wer de n (zw ischen Kup plu ngs - und Brem sped al) und benöti-
gen schon des ha lb zwei Wellengele nke. Es gib t a ber auc h Fah rzeuge , die in eine m solchen
Fall trot zdem nur ein Gelenk haben , dafür jedoch ein seitlich vcrschwcnktcs Lenkrad auf-
weise n [J17].
1457
J Lenkung
Bild J -19
Kompaktes Welle nge lenk sealed universal joint.
Dieses qekapselte Gelenk aus Stahl w ird in die
Lenkw elle eingeschweißt ode r mit einer Quer -
schraube ve rbunden. D ie Gesamtlänge beträg t bei
einer Aufnahmebohrung 0 16 rnrn ca. 70 rnm.
Solche Gelenke f in d en auch in Schaltgestängen
Verwe ndung.
Bild J·20
Kreu zgel enk Hooke's universal joint.
Dieses Wellengelenk ist nach seiner Verformung
hin d imensioniert, also größer als es das übe r-
trag bare Lenkmoment erfordern wü rd e , Bei einem
Lenkwellendurchmesse r von 18 mrn weisen die
G abeln eine größte Breite von 43 mrn a uf.
Bei geringen Beugewink eln ß(bis ca. 5°) lassen sich die Kreuzgelenke durch Gelenkschei-
ben ersetze n. Lenksäulen mit einem Kreu zgelenk erzeugen bei Beugewink eln > 15° einen
für den Fahrer spürbaren Unglcichförmigkeitsgr ad U:
'"
-"2
·
U=
_
-"
·"o'"o''---_ =·omc''c
ß·ß
= tan -stn
'"
U UngleichfOrmigkeitsg rad l-l
wl' Winkelgeschwindigk eit der mitei nander
Wz verbundenen Wellen 1 und 2 [radIs]
ß Beugewin kel zw ischen den Wellen [0]
Diese Unglcichförmig kcit tritt zw ischen zwei Ext re mstcllunge n der Gelenkgabel auf (vgl.
auch Bild J-22) und wird somit erst ab einem Lenkradwinkel von 1800 (Oll =_90° bis +9(0)
störend. Will man diese Unglcichförmigkcit verme iden. muss ma n eine Zwischenwelle und
ein zweites Kreuzgelenk einführen. Dabei müssen die beiden Beugewinkel gleich groß
sein und die beiden Gabeln der Zwischenwelle müssen gleichzei tig in ihren aus An- und
Abtriebswellen gebildeten Ebenen liegen (siehe Bild J -21).
Gclenkbeugewinkcl über 30° sollten vermieden werden, weil die Lenkwellen durch
zusätzliche Lagerkräfte. die von den Kreuzgelenken herrühren, auch auf Biegu ng bean-
rrIfi?~7
--s?6r4;;;::",,- - i UJjj11JJ Bild J-21
. ~,1:;:l -. -
Richt ige Ano rdnung von Gelenkwellengabeln
,/
bei w indschiefen Ansetuissachsen.
458 1
3 Lenkwelle
sprucht werden. Die Momente schwanken dabei ähnlich wie die Winkelgeschwindigkeiten
zw ischen zwei Extremwert en (siehe auch Bild J .22 ):
J
A/ S.2.mill = AlSJ . cosß
AlS•2.ma\ = Al S.! Jcos ß
Als.!. Torsionsmoment an der Lenkwelle 1 bzw. 2 (Nm]
AlS •2
Mb.S .min =: M SJ . sin ß Mb.S Biegemoment in der Lenkwelle durch Kreuzgelenk [Nm]
Alb.S
.
ma\ =- MS.I
· tanß
w,
Bil d J -22 Extreme KreuzgelenksteIlungen.
Oie größten und kleinsten Werte de r Winkelgeschw indigkeiten und der Momente ergeben sich bei den
Stellungen a und b mit der Gabel der Welle 1 in Bildebene und normal dazu.
~,
_
1--='
ß
\
-""
/
Bild J-23
Ausgle ich eines Beugewinkels der lenkwelle >15°.
Um spürbare Ungleichförmigen de r lenkbewegung
für den Fahrer zu vermeiden sind zwei Beugegelenke
in W·Anordnung eingebaut und d ie drei Weilenach -
sen befinden sich in einer Ebene.
Beugegelenke in der Lenkwelle erhöhen die Sicherheit für den Fahrer im Fall eines Frontal-
aufpralle. weil die Lenkwelle keine Längskräfte übertragen kann und abknickt.
B ildJ-24
Lenkw elle eines Formel -Renault"
Fahrzeugs.
Die Welle weist zwei Beugegelenke
in Z-Anordnung auf. Dies ermög licht
das axiale Ausweichen des Lenkra-
des beim Aufpra lltest nach FIA F,3
2000 (siehe auch Kapitel C Sicher-
heit).
1459
J Lenkung
Lenkradn abe steering wheet hub. Das Lenkrad wird an einer Nabe angeschraubt . Bei For-
mel-Lenkrädern genügen drei M6-Schraubcn, bei Fahrzeugen mit größeren Lenkradd urch-
messern werden sechs Schraube n eingesetzt . Die Lenkra dnabe ist mit der Lenkwelle meist
(reglementbedingt) über einen Schnellverschluss (quiek release) verbunden. Der Schnell-
verschl uss wird über ei nen a xialen Flanschring. der gelb sei n muss, betätigt , Bild J-25.
Für Lenk räder mit elektronischen Zusatzfunktionen (Schalter, Display) werden Stecker-
kontakte erforderlich. Damit die Konta kte beim Aufsetzen des Lenkrads fluchten, muss die
Welle-Nahe-Verbindung asymmetri sch gestaltet sein, siehe Bild J -25 und J -26.
Wenn die Lage des Lenkrad es in Achsrichtung zur Anpassung an die Fahrerv orlieben
verstellbar sein soll, befindet sich z. B. ein Teleskopstück zw ischen Lenkrad nabe und Lenk-
Bil d J -2 5 Lenkradnabe mit Anschwe ißende fü r Len kwel len
steering wheel hu b wilh weid -on splined sec non .
Das Wellen ende ist ein Kaufteil u nd w ird an die ind ividu elle Le nkwe lle a ngesc hweißt. Es w eist eine a sym-
metr ische Keilverzahn ung auf , die n ur in einer Position in d ie Len krad nabe pass t. Dies ist erforder lich ,
wenn Steck kontakte zwisch en Nab e und Welle vorhanden sind .
1
2
3
4
Bild J-26 Aufgesteckte Lenkradna be mit Schne llverschluss (teilweise aufgeschnitten).
Das Lenk rad (1) wird mit drei Schra uben auf den Nab enflansch (2) aufgesc hraubt. Die Nabe selbst übe r-
tr ägt mittels Steckve rzahn ung das Len kmome nt a uf das Wellenende {5} und som it auf d ie angesch we ißte
Len kwelle (6). Die a xiale Siche r ung erfolgt d urch Sperrkugeln (7), d ie in d ie N ut am We llenende g re ifen .
Z um Lösen d es Len krad es wi rd d er g elbe Flanschring (3) zum Len krad gedrückt und d ie K uge ln dadurch
freigegeben. Zusätzlich weist d iese Ausführung elektrisch e Steckkontakte (4) auf.
r•
••
•
3 Lenkwelle J
Bild J -27 Zwisc henstü cke für Lenkrad.
links: Feste Länge. Für Sechs -loch -Verschraubung.
Rechts : Teleskopstüc k das gestuf t verschraubt werden kann . Man beachte d ie beiden Sattelscheiben
(saddle washer). die für eine ausreichen de Pressungsverteilung auf dem ro hrförm igen Wellenteil unter
den Sechskanfköpten sorgen.
wellenende. dass ein gestuft es Verlängern bzw. Verkürzen der Welle ermöglicht. Es werden
auch Zwischenstücke mit fester Länge verwe ndet. Diese Zwischenstücke kön nen daneben
korbförmig und hohl gestaltet sein, damit sie zum Schutz des Fahr ers Aufprallcnergie durch
Deformation aufnehm en können.
Lag er bearing. Die Lenkwelle bzw. die Lenkwellenteile müssen zum Rahmen drehbar
gelagert werden (s. auch Bild C-20). Die Aufgaben solcher Lenklager sind dabei:
die Lenkspindel spielf rei abstütze n,
wirksam Schwingungen und Geräusche dämpfen,
eine hohe Steifigkeit aufweisen,
möglichst reibungsarm sein.
Einges etzt we rde n Gelen klager. Kunststoffgleitlager aber auch Wälzlager. Kom men Gelen-
klager zu m Einsat z so llen Ausführ ungen ohne Zwischengleitschicht (siehe Kapitel H 7.2
Gelenklager ) verwendet werden , Diese ze igen we niger Neigung zu Stick-Slip-Effekten, was
gerade an der Lenkung bei Lagern mit großen Durchmesse rn störend werden kann .
Als einfacher aber aussagekräftiger Test der Reibungsverhältnisse kann folgende Prü-
fu ng an der vollständig montierten Lenkung durchgeführt werden: Man betätigt das Lenk-
rad mit dem letzten Glied de s kleinen Fingers bei aufgebockten Vorderrädern. Die Drehung
muss leicht von Anschlag zu Anschlag durchführbar sein, andernfall s ist die Lenkung zu
schwergängig [110] .
Die Lenklager können auch so angebracht sein, dass eine Höhenverstellung des Lenk-
rades möglich ist, Bild J·29.
Bei Pkw kommen spezielle Nadellager mit Gummitoleranzring zum Einsatz , die Teleranzen
der Mantel rohr e der Lenksäule ausgleiche n. Es gibt auch vollkugelige oder käfiggefü hrt e
Schrägkugellager, die in der üblichen Anordnung mit zwei Lagern die Lenkwelle aufneh-
men. Bei längsverstellbaren Lenksäulen werden auch Vierpunktkugellager verbaut.
1461
J Lenkung
Bild J · 2 8 Gelenklager als Len kwellenlager.
Das Ge lenklager stellt sich vorteilhaft auf den erforderlichen Winke l d er Lenkwelle ein ohne zusätz liche
Reib ung hervorzurufen .
Bild J -29
Lenkwellenlager eines Prccukti-
onsspor twagens.
Das Lenk lager wird v on einem
Alumin ium-Ge häuse aufgenom -
men, das mit zwei Schrauben
an Laschen zum Rahmen b ef es -
t igt wir d. M eh rere Bohrungen in
diesen Laschen ermöglichen d ie
Höhe des Lenkradesan den Fah-
rer anzupassen. Die Längsver-
stellung erlaubt die Mu ffe in der
Lenkwelle (vgl. Bild J-27).
Der A nschluss der Lenkwelle an das Le nkget riebe erfolgt über ei ne Welle - Nahe -Verbi ndung,
die vom Lenk getr iebe vorgegebe n wird . Üblich s ind Vierka nt welle n tsquare sec üonv und
Kerbverzah nungen (splined secüom. Uild J -30 zeigt ein Anschlussstück für Kerbverze h-
nung, das an die Lenkwelle angeschweißt wird. Zur spielfreien Übertragung der Lenkbewe-
gung weist der Anschluss eine Klemmschraube auf. Diese ist so angeordnet. dass sie gleich-
zeitig ein e formschlüssige Siche r ung gege n das Abziehe n vom Wellenst umme l darstellt .
Bild J·3 0
Ansch lussstü ck an
das Lenkge triebe.
Das Teil wird an die
lenkwelle ange-
schweißt (im Schni tt
A-A strichl iert zu
sehen).
4 Lenkgetriebe J
Bild J-31
Lenk welle in einem Produk -
tionssportwag en (Osella PA
205).
Die Lenkwel le verläuft ge-
st reckt vom Lenkrad (das im
Bild abgenommen i st) bis zum
Lenkgetriebeanschluss (ganz
links im Bild). Trotzdem ist ein
gekapseltes Beugegelenk in
der Welle eingesetzt. Das zwei-
teilige Radiallager neben die-
sem Gelenk ist vol lständig aus
Polyamid gefertigt.
4 Lenkgetriebe Steering gear
Das Lenkgetriebe setzt den vom Fahrer am Lenkrad
erzeugten Lenkwinkel Ofl in eine Verstel lung des Lenk-
gestänges um, z . B. in den Drehwinkel 0Sg eines Lenk-
stockhebels. der auf der Lenk stoekhebelwelle - das ist die
Ausgangswelle eines Lenkgetriebes - sitzt, Bild J-32b bis
J-32e. Die Lenkget riebeüberset zung ist dan n:
.
d8J[
ISg=-I'
cuSg
iSg Lenkget riebeübersetz ung (- )
() fl Lenkw inkel am Lenkrad [0]
OSg Drehwi n kel des Lenk stock hebels [" ]
Die einfachste Art, einen Lagerpunkt am Lenkgestänge zu verschieben. ist die Zahnstangen-
lenkung, Bild J·32a . Hier kann die Lenkget riebeüberset z ung nur als Verhältnis des Winkels
0/1 und des Zahnstangenhubes hSg definiert werden, sie ist also dimcnsionsbchaft cr:
= dÖIl
iSg,Rm:k Lenkgetriebeübersetzung der Zahnstange [v/mm]
iSg. R3Ck.
d!lsg
()II Lenkwinkel am Lenkrad [0]
!lSg
Hub der Zahns ta nge [mm]
Bei konstant er Verzahnungsübersetz ung der Zahn sta nge kön nen d ie Gesa mt wege ins Ver-
hältnis gesetzt werden und es gilt:
i Sg. R3Ck
h,
.,g.l
ill
Lenkgetriebeübersetzung der Zahnstange
[rad/mm]
Gesamthub der Zahnstange [mm]
Anzahl der Lenkr adumdrehungen beim Gesamt-
hub !lSg,1l-l
1463
J Lenkung
2
'.
'.
Bild J·32 Bauarten von Lenkgetrieben , nach [J03].
a Zahnstange lenk ung: 1 Lenkwe lle mit Ritzel, 2 Zah nstange
b Lenk mutl erlenku ng: 1 Lenkspind el m it Gew inde. 2 Lenkstoc kh ebel mit Zahnradsegment
c Ku rbeltrie blenku nq: 1 Lenk spind el m it Gew inde. 2 Lenk sto ckhebel
d Glcbcidschnec kenlenkunq (Gemmer-Lenkung): 1 Len kwelle mit mcccoscnnec ee. 2 Lenkstockhebel
m it Schnec kenradsegment
e Lenkmutterlenkunq: 1 Lenkspind el mi t Gew inde. 2 Lenkstoc kh ebel mit Kugelpfanne
Durch Eingriffe in d ie Verzah nungsgeometrie sind a uch bei Za hnstangc nlcnku ngcn ver-
ände rliche Getriebeübersetzungen crziclbar, siehe Bild J-39. Ocr Haupt vorte il der Zahn-
stangenlenku ng ist ihre einfac he Bauweise und der ge ringe Platz bed a rf, nicht unbedi ngt
aber die relativ steife unm itt elbare Umsetz ung der Lenkraddrehung in eine Spu rstange n-
verschieb ung oh ne Einschaltu ng von Zwisc hen hebel n. Die gera dli nige Bewegu ngsfor m
schrä nkt zude m die konstr uktiven Möglichkeiten bei der Auslegung der im Allgemeinen
dreidi mensio na l wirksa men Le nkgeomet rie ei n.
Bei Pkw ebenso gebräuchlich ist eine Lenku ng mit .Lcnkmutrc r'', d ie durch ein Gew inde
(he ute z ur Reibungsver mi nderung ein Kugelu mla ufgewinde ) mit der Lenks pindel verb un-
den ist, Bild J -32b. In der Darstellung trägt die Lenkmutter ein Zahnsta ngensegment, das
m it ei ne m Zahnradseg ment auf de r Lenkstockhebel welle kämmt. An die SteIle der Ver-
zahn ung kan n a uch ein Kurbeltrieb trete n, Bild J -32c, wobei die Lenkmu tter die Rolle des
Kolbens übernim mt. Bei d ieser Baua rt ist die Lenkget r iebeübe rsetz ung verän derlic h.
Bild J -32d zeigt ei n Le nkge triebe mit ei ner Globoidschnecke und eine m Schnecken-
rad, wobe i der Lenk radwinkel O ll mit konstante r Übersetz ung iSg in einen Drehwinkel OSg
des Le nkstockhebels verwa ndelt wird. Neue re Ausfü hru nge n di eser Baua rt besitzen auf
der Lenk stockhebelwelle eine Lage rgabcl, in welcher sich zur Verminderu ng der Reibu ng
eine Profilrolle befindet, die zwei Zä hne des Schnecke nrades vertritt (,.Sch neckenroIle n-
lcnkung'' ). Die Schnecken1cnku ng ist sto ße mpfindlich , kan n spielfrei und mit progressive r
Übe rsetzu ng a usgef üh rt we rden.
464 1
4 Lenkgetrieb e
Die Bauart en nach Bild J-32b und J-32e eignen sich, ebenso wie die Zahnstangenlenku ng
J-32a, wegen der geradlinigen Hubbeweg ung ihr es Abtriebselements beso nde rs gut fü r die
Überlager ung ei ner hydraulischen Servo unterst ütz ung ( Kolbe n und Zyli nder).
Eine Variante der Lenkgetriebe mit Lenkm utter zeigt Bild J -32e. Die Lenkbeweg ung
verschiebt über ein Gew inde eine Lenkm utter . Diese führt mit einem Aufsatz ei ne Kugel-
kalotte auf der Lenkstoekhebelwclle. Während die Mutter axial verschoben wird, dreht sich
die Lenkstock hebclwelle und kippt dabei gleichzeitig d ie Mutte r um ih re Achse, weil d ie
Kugelpfanne sich entla ng eines von der Lenkstoekhebelwclle vorgegebene n Kreisboge ns
bewegt. Diese Schwenkbeweg ung der Mutte r ist stets zur Lcnkstockhcbclwcllc gerichtet ,
wodurch sich mit wachsendem Lenkeinschlag der wirksame Hebelarm um die Lenkstock-
welle verringert, d . h. die Getriebeübersetzu ng iss nimmt ab (durch weitere Eingri ffe in
die Kinematik lässt sich dies auch umkehren). Die Lenkmutte r schwenkt damit einmal im
Drehsinn der Lenkspindel. das andere Mal gegensinnig. so dass sich einmal der Relativ-
drehwinkel und damit der Vorschub verringert, das andere Mal vergrößert. Dies ergibt eine
Unsymmctrie im Übersetzu ngsverlauf und eine geringfügig ungleiche Zahl der Lenkrad-
umd rehungen nach links und rechts.
Alle Ausführungen mit einfacher Lenk mutter weisen eine hohe Gleitreibung auf, was der
Fahrer als schwergängig empfindet , und sind nicht nachstellb ar (Gcwin dcspicl).
Das Spiel zwisc hen Lenk rad- und Radschwenkbewegung soll u m d ie Gc radca usstclhmg
(" Druekpunkt") am kleinsten sein. Der Verschleiß tritt vornehmend in der Geradea usster-
lung auf und moderates Spiel bei großen Lenkwi nkeln ist für den Fahrbetrieb bedeutungs-
los, Bild J-33.
J
links
O·
r echts
Lenkrlldwinkel
Bil dJ-33
Zulässiger Verlauf des Lenkungsspiels über dem
Lenk rad einsc hlag (schematisch).
In der Geradeausstellung fällt ein Spiel am stär ksten
auf, we il d ie Räder - abgesehen von Vorspur, Nachlauf
usw. -
nicht geführt werden und dahe r inst abil laufen.
Bei Kurvenfahrt t reten Seitenkräfte auf und drü cken die
Räder an einen Anschlag ,
Lage des Lenk get riebes position of steertng gear. Zuerst werden die Gelenkspunkte des
Fahrwerks nach Ges ichts punkten der Fa hrleistun g festgelegt (vgl. Kapitel H Fahrwerks und
erst dann sucht man eine passende Lage für das Lenkgetriebe und die Anlenkung der Spur-
stangcn.
Die Lage des Lenkgetr iebes oder genaue r der Spurstange nanbindu ng im Verhältnis zu
den Gelenken der Radaufhängung ist entscheidend, ob ein (unerwünschtes) Eigenlenk-
verhalten beim Einfede rn des Rades au ft ritt. Wie die Lage der Übert rag ungsele mente
bestimmt wird, ist in Abschnitt J 5 beschrieben. Das Lenkgetriebe wird bei beka nnter Lage
der Spurstange an dieser ausgerichtet. Das Lenkgetriebe kann grundsätz lich vor oder hinter
der Achse angebracht sein. In der letztgenannten Position fällt die Länge der Lenkwel1 e
kürzer aus, das Lenkgetriebe kann aber den Bereich für die Fahrerfüße bzw. Untersche nkel
einengen, wenn es auf Höhe der oberen Querlenker liegt. Eine kür zere Lenkwelle muss
auch nicht zwangsläufig leichter sein. Sobald ein Wellengelenk zwischen Lenkrad achse und
Lenkgetrieberitzcl erforderlich wird, kommt die Masse des Gelenks mitsamt des notwen-
digen Zwische nlagers m it se iner Befest ig ungen hinz u.
1465
J Lenkung
Bild J -34 Ausführung sformen von Zahnstangenlenkgetrieben.
a Len kwel le in der Mitte, Seitenabtrie b
b Len kwelle seitlich, Anschl uss verschwenk t
c Mittenabtrieb
d einseiti ger Abtrieb
z ahnst an genlenkge trt eb e rock-ond-pinion gear. An Rennfa hrze uge n finde n sich fast
durchwegs Zah ns rangenlen kget riebe. Die Le nkget riebe übersetz ung i Sg.. Ra ck (siehe Bild
1-32a) wird grob im Bereich 6,5 °/01 01 (36tJO/55 Olm ) bis 9 °/ 0101 (3600/40 Olm ) gewä hlt.
Die gesamte Lenkübersetz ung t« liegt dam it bei etwa 7: 1 bis X: 1 [117]. Gru ndsätzlich gibt
es mehrere Orte, wo das Ritzel auf ode r unter der Zah nstange platziert werden kann. Ocr
Abtrie b z u den Spurstange n muss a uch nicht seitlich e rfolgen. Bild J · 34 zeigt pri nzi pielle
Gest a ltungsmög lichkeiten .
Wenn die Zähne der Zah nstange in Einba ulage nach obe n zeigen, ist eine beidseitige
Abdichtu ng der Zahnsta ngendurchtritte erforde rlich. So wird vermieden, dass Ablage-
rungen (Späne, Steineben. ...) zw ischen den Zahnflanken liegen bleiben und die Lenkung
blocki eren .
Soll Eigenlenkverha lten bei m Fede rn der Räder vermieden werden. muss die Länge des
Lenkgetriebes kleiner sein als de r Abstand der Querlenkerachsen aufderen Höhe das Lenk-
get r iebe angebrac ht wird. So können übe r ei ngeschrau bte Sta nge nköpfe d ie Spureta ngenge-
lenkepunkte verschoben werden. bis diese auf den Querlenkerachsen liegen. Die Mindest-
länge der Zahnsta nge ergibt sich aus dem gewünschten Hub. Bild J·35:
I=2(3~+"+b) =3h+2("+h}
Dazu kommen noch die axialen Bauräume von Dichtungen.
h/2
h/2 h/2
b
a
."
-
---_:~ ------
+
1
Bild J-35
Mindestlange I eine r Zahnstan -
ge be i seit lich angebrachten
Spu rsta nqen.
h Zahnslangenhub
a Verzahn ungsauslauf
b Führungslänge
4 Lenkgetrieb e
Beim g rößtmöglichen Einschlag der Lenk ung dürfen weder Reifen noch Räder mit Fahr-
werksteile n kollidier en . Außer dem darf das Lenkgestänge nicht durchschlage n ode r instabil
werden. Desh alb ist ein defin ierter, mechanischer Lenkanschlag erforderlich. Dieser wird
meist über Scheiben realisiert, die an den Enden de r Zahnst ange mitverschra ubt werden und
gegen das Führungsgehä use laufen.
Der Zahnstangendurchmesser ergibt sich durch die größte axiale Kraft. Diese tritt beim
größten Lenkradmoment auf. Bei Serienfahrzeugen wird der so genannte Bordstein ab-
drücktest durchgeführt. Hierbei dürfen bei blockiertem Vorde rrad mit zulässiger Vorder-
achslast und bei voller Servounterstützung mit eine m Lenkradmoment von 80 Nm keine
bleibenden Verformungen an de r Zah nstange auft rete n. Aus den gleiche n Übe rleg unge n
folgt die Ausleg ung der Spurstange n auf entsprechende Kn icksteifigkeit.
Als Anhaltswerte für auftretende Kräfte können die Größen nach Tab elle J ·2 dienen.
Ta b. J -2 Zahns tangen kräfle bei Serienfah rzeugen. nach (J20].
J
Achslast der Vorderachse
Ikg]
550
650
650
950
max. Zahnstangenkräfte
IN]
6500
8000
8000
9000
•
Bil d J - 36 Zahnstangen lenku ng eines Pkw .
Die Lenk ung weist eine hydraulische Unterstü tzung auf, die auf d ie Zahnstange w irk t. Das Lenkgetrieb e
ist mit dem linken Bügel (neb en dem Lenkw ellenanschlu ss) test mit dem Achsschemel verschraubt und
am r ec hten Ende wi rd ein Ela stom er ring von einem B lechbüge l als Loslager gehalten. Die beiden Spur-
stangen sind seitlich an der Zahnstange angebrach t und die Kug elgelenke u nd der Zahnst angena ustrill
werden von Faltenbälgen geschü tzt.
1467
J Lenkung
6
5
4
3
2
Bild J·37
Zabn stanqenlen kpenie be.
Schnitt durch Bitzel, nach [J06].
1 Abd eckkappe
2 Sicher ung sblech
3 Verschraubung m it Dicht ring
4 Rillenkuge llager
5 Lenkget riebegehä use
6 Ritzel
7 Nadellager
8 Zahnstange
9 Druc kstück
10 Feder
11 O-Ring
12 Einstellring
13 Verschlusssch raube
s max. 0,12mm
Den Aufb au eine s Zahnstangenlenkgetr iebes zeigen die BilderJ-37 und J -38 . Ocr Ansch luss
der Lenkwelle erfolgt direkt an das Ende der Ritzcl wcllc (6). Gä ngige Größen der Kerbver-
zah nung (spline) für den Anschluss der Lenkwelle liegen im Bereich 12 x 14 bis 17 x 20
( DIN 5481). Die Lenkbeweg ung wird über das Ritzel auf d ie Zahnsta nge (8) übertragen.
Das Ritzel wird du rch zwei Wälzlager (4 und 7) gehalte n, wobei da s Rillenk ugellage r (4) als
Festlager f ungie rt. Auf der Loslager seite sitzt eine Nadelhülse. Die gewählte Ausführung
ermöglicht eine bauraumsparcndc Konstru ktion der Lagerung mit niedrigen Reibwerten.
Die beiden Lager sind durch die Umgebungskonstruktion geschützt . Die Lager werden bei
ihrer Montage befett et und sind dami t wart ungsfre i aufGebrauchsdaue r.
Das federbelastete Dr uckst ück (9) sorgt fü r ein spielf reies Andrü cken der Zahnsta nge
an das Ritzel. Damit bei Überlast die Zahnstange jedoch nicht durch die Zahnk raft so weit
weggedrückt werden kann , da ss der Zahneingriff unzu lässig abnim mt oder gar das Ritzel
überspringt, ist der maximale Weg des Druckstücks durch den Einstellring auf den Wert s
begren zt. Das Spiel s wird mit dem Distanz ring (12) eingestellt. Die Vers chlussschraube
(13) wird gegen den Ring (12) gezoge n. Der O-Ring (lI ) im Druckstück wirkt als Dämpfer
und vermeidet Klappergeräusche. Die Schm ubenfcdcr (10) hat je nach Lenku ngsgröße eine
Vorspann kraft von 0,6 bis 1,0 kN. Die Oberfläche beider kämmender Part ner soll min-
destens eine Roekwellhärte von 55 HRC aufweisen. Die Reibkräfte zwischen Druckstück
468 1
4 Lenkgetrieb e J
15
16
17
Bil d J- 38 Zahnstangenlen kgetriebe mit s enereomeo. Länqssctmitt von B ild J-37.
14 Führungsbuchse
15 Sprengring
16 Scheibe
17 Gabel
und Zahnstangenrü cken sollen für gutes Ansprcch- und Rückmeldeverhalten de r Lenkung
möglich st gering sein.
Die dargestellte Verzahnung ist eine Gc radvcrzahnu ng. Bei großen Übersetzu ngen kom-
men auch Schrägverzahnungen zum Einsatz. Durch die Sprungüberdeckung wird der Zahn-
eingri ff weicher .
Die Zahnsta nge muss nicht mit konstanter Teilu ng versehen sein, sondern kann eine van-
ablc Teil ung aufweisen, Büd J -39. Damit ist eine vari able Übersetzu ng im Lenkgetriebe
selbst dar stellba r.
Bil d J - 39 Zahnstange mit variabler Teilung.
In der M itte der Zahnstange berührt das Ritzel die zahnflanke an einem gr ößeren Wälzkreisdu rchmesser
dm, als außen, w o der Durchmesser d o w irksam ist. Der Verschiebewe g der Zah nstange verkleinert sich
so bei zunehmend em Lenkeinschlag von sm auf s o'
Werk stoffe. Zahnstange: ind uktionshärtbare Vcrgütungsstählc, z . B. Cf53, 41Cr4 (DlN EN
JOOR3); Titanlcgicrung PVD-bcschichtct. Ritzel : Einsat zstählc, z. B. 20 MnCr5, 20MoC r4
(DIN EN ]OOOR); Titanl egieru ng PVO-bcschichtct.
Lager bock mount, Zahnstangenlenkgetriebe werden mit angegossenen Konsolen ode r mit
separaten Lagerböcken (Bild J 440) fest mit dem Rahmen verschraubt. Bei Serienfahrzeu-
gen werde n aus Komfortgründen Gummilage r ei ngeset zt.
1469
J Lenkung
I©I
i
j
i
'--'--"" " I i
i
I
I©I
BildJ·40
Lagerb oc k für Zahnstangenlenkgetriebe.
Das Lenkgetriebegehäuse wird an beiden
Enden mit einem solchen lagerbock ver-
schraubt. Der Tren n schlit z auf eine r Seite
ermög licht eine ceeene Klem mung des
rohrfö rm igen Gehä uses. Das Gehä use kann
innerhalb seiner Lagerungsbreite ax ial ver-
schoben werden , z. S , um Ferligungstole-
ranzen von Rahmen und Fahrwerk ausz u -
gle ichen ,
Beispiele. Nachfolge nde Beispiele von ausgefüh rten Za hnsta nge nle nkget riebe n gebe n eine
ansc ha ul iche System übe rs icht.
Bild J·41
Zahnstangenlenkgetriebe eines Formelwagens
(Formel König).
Das Lenkgetri ebe ist am Ende des Rahmens mit
zwei Lagerböcken montiert. (Davor wird d ie Nase
mit dem Front/lügel und dem Crashe lement mon-
tiert.) Die l enkwelle mündet etwas nach links ver-
setzt, damit Fahr- und B remspedal mit dem rechten
Fuß betätig t werden können. Das Kupplungspedal
wird au f de r anderen Seite de r Lenkwelle mit dem
linken Fuß get reten. D ie Spurstangen lieg en in der
Ebene des oberen Q uerlenkers. Die Lenkanschläge
werden über Sche iben an den be iden Enden der
Zahnstanqe rea lisiert.
Bild J-42 Zahnstangenlenkget riebe eines Forme lwagens (Formel BMW).
Das L e nkq etne b e w e ist einen symmetrischen Aufbau mit se itlichem Abtrieb auf. Die Spurstangen lieg en
in den Ebenen der ober en Ocerlenker.
5 Übertragungseinrichtung und Achslager
Bil d J -4 3 lahnstangen lenkgetriebe eines Formel-l-Wage ns (Ferr ari),
Das Lenkgetriebe i st genau für eine n b estimmt en Wagen konstru iert und we ist eine hydraulische Unter -
stüt zung auf. Es w ird dir ekt mittels de r vier integrierten Schr aubbutze n an die vorderste Schollwand de s
Monoco q ues geschra ubt. Ein Zwische ng etrieb e bewirkt einen Höhenver satz zwi s chen d em LenkweI-
renansemuss und d en Spurstanqeoanschtüssen . Das große Zw ischenzahnrad i st ex zent risch gelager t.
Durch Verdrehen seines lagers w ird d as Zannüansenspie t an beiden Eingriffs tellen just iert.
5 Übertragungseinrichtung u nd Achslager
Transm itting de vices and axle bearing
Unabhängig davon, ob ein e Zahnstangenlenku ng oder ein andere s Lenkgetriebe zu m Einsatz
kom mt. mu ss d ie Bewegu ng vo m ra h men feste n Lenkgetriebe au f d ie radträgcrscitigcn Spur-
heb el übertragen werde n. Dies geschieht bei Einz elradaufhängung am besten über Gelen k-
get riebe (beweglich gekoppelte Gest änge), die j a neben der Lenkbewegung auc h noch die
unterschiedlichen Radhubbewegungen beim Federn mitmachen müssen. Bild J-44 zeigt
einige denkbare Anordnungen von Gestängen. Bei Ausführung a liegen die Drehachsen vom
Len kgetriebe und d es gegen über liegende n Fü h ru ngshebels pa rall el. Der Le n kst ockheb el
bildet mit dem Führungshebel und dem Mittelteil der dreiteiligen Spurstange ein ebenes
Gelenkviereck (genauer Parallelogramm). Die beiden Hebel betätigen die außen liegenden
Spurstangenteile. Nachteilig bei dieser Ausführung ist die Reibu ng. Alle sechs Gelenke des
Gestänges machen beim Lenken nahezu den vollen Lenkwi nkel mit. Dazu kommt noch der
unerw ünschte Einfluss der Spiele in den Gelenken. die sich noch addieren. Ausführ ung b
ents pricht weitgehend der Ausfü hrung a, nur sind hier die Achsen des Lenkget riebes und des
Führungshebels an die Neig ung der Lenk achse EG angepasst. Das wird vor allem bei g roßen
Sprcizungswinkcln erfo rderlich. weil sonst beim Federn der Räder das Eigenlenkverhalten
zu groß wird. Bei Ausführ ung c ist der Mittelteil de r Spurstange in Kugelgelenken gelagert.
Dadu rch erhält diese Stange eine n weiteren Freiheitsgrad. nämlich die Drehung um ihr e
J
147 1
J Lenkung
C1--""""'"""'"
-:
@
Bild J -44 Lenk ges tänge fü r Einzelrada ufhän gu ng ,
Ausgangssi tuation links oben: Die be iden Ge lenke U1 und Urs der Spu rhebe l links und rechts müssen
geeignet m it dem Len kgetrie be verb u nde n we rden.
a Lenkg etr iebe s enkrecht
b lenkg etr iebe pa rallel zu Len kachs e EG
e mittiere Spurstange mit Kugelgelenken
d Kipphebel als Zwischenhebel
e Zahnstange als Spurstange
f Zahnstange mit Zwisc henhebel
Stabachse . Deshalb müssen die Gelenkmitten der beiden äußeren Spursta ngen auf dieser
Achse der mittleren Spurst a nge liege n, damit s ie keine uner wün schte Drehu ng ausfü hren
können, Bei der Va riante d erfolgt die Übertragung der Lenkbeweg ung vom Lenkgetriebe
über zwei Umlenkhebel auf die Spursta ngen. Dadurch ergibt sich zwar konstr uktiver Frei-
raum in der Mitte des Fahrzeugs (etwa für den Motor), nachteilig sind allerdings hohe Rcak-
t ion sk raftc mit den dadu rch ents preche nd g roße n elastische n Verform unge n. Ausführung
c ist eine Zahnstangenlcnkung. Die Einfachheit und die geringe Anza hl der Teile werden
offensichtlich. Bei Variante f bct ätigt die Zahnstange die Spurhebel nicht direkt, sondern es
wird ein Hebel zwischengeschaltet. Die Nachteile ergebe n sich du rch einen Vergleich mit
obigen Betrachtungen. G egenüber der einfa chen Zahnsta nge sind mehr Teile verbaut, die
neben der Masse Spiele und Elastizitäten vergrößern .
5 Übertragungseinrichtung und Achslager
T
Bild J-45 Übertrag ungsw inkel bei Lenkgestängen , nac h [J03].
Für ein linkes Vorder rad ist das Lenkgest änge m it Zahns tangenge triebe und alternativ m it einem Lenk-
hebel (strichlier t) im Punkt D da rgestellt.
ßu, ßT Über tragungswinkel
u
Spurstangen länge
a
L änqen-uberu eckunq von Spurhebel und Spurstange
r
Spurhebellänge
CR(j Steifigkeit de r Spurstange
C,j
Verdrehsteifigkeit eines Rads um die Lenkach se
e
w irksamer Hebelarm der Spurstange
f
w irksamer Hebelarm des Lenkstoc kh eb els
Bei der gru ndsätzlichen Anordnung von Hebeln und Schubstangen (in dem Fall Spurstan-
gen (fie rad) genannt) müssen die Übertrag ungswinkel beac htet werde n. Diese sind für die
Betr iebssicherheit der Lenk ung maßgebe nd, Bild J-45.
Die Lenkgestän ge-Übe rsetz ung ergibt sich zu :
J
.
dOsg
e
'T=--
=-
daf
jT Lenkgest änge - Übersetzung l- l
QSg Drehwinkel des Lenkstoekheb els [0]
o Einschlagwinkel des Rads [0]
e.f
wirksame Hebelarme [mm]. siehe Bild J-45
Werden die Übertragungswinkcl ß u oder ~ = 0°, ist das Gestänge instabil. Bei Zahnstun-
genlenkungen entfällt zwar der Lenkhebel und der Drehpunkt D ist ein Fernpunkt, es bleibt
jedoc h der Spurhebel (steering arm) . Insbesondere der Winkel Pudes angetriebenen Spur-
hebel s darf einen Mimle stwert nicht untersch reiten . damit es nicht zum Du rchschlagen des
Len kgestänges komm en ka nn. Ein Mimlestw inkel ist deshalb erforderli ch. weilja auch Spiele
und Elastiz itätcn berücksichtigt werden müssen . Der Übert rag ungswinkel sollte den Wert
25° nicht unterschreiten. Bei der Beurteilung von Sicherheitsreserven der Lenkung kommt
auc b die Spurhebellänge r ins Spiel. Hild J-46 zeigt den Verlaufwichtiger Grö ßen über den
Übertrag ungswinkel ßu für ein Zahlenbeispiel mit der Spursta ngenlänge u == ) 00 mm.
J Lenkung
Bild J-46
Einf luss des Übertrag ungswink.elS auf die
Betr iebssicherheit der Len kung, nach [J03),
siehe auch Bild J-45 .
u -300mm
€I Der w irksame Hebelsarm €I des Spurhebels
um d ie Lenkachse E wachst mi t dem Übertra-
gungswinkel un d der Spurhebellänge r.
b Dia Längenüberdeckung €I zw ischen Spurhebel
und Spurstange ist ein Maß für d ie Entfernung
vom Durchs chlagspunkl. Je kleiner €I wird.
desto g rößer die Gefah r des Du rchschtaqens.
Große Sp urhebellängen u n d g roße Über-
trag ungsw inkel sind auch aus d ieser Sicht
wünschenswert,
e Oie Spurs tange sei das einzige elastische Glied
in der Üb er trap u nqskette mit der Steifigkeit eR d'
Dann ist die wirksame Verdrehsteiligkeit eines
Rads um d ie lenkachse Cs - cRde e. Dam it wird
die Ene rgiea ufnahme b is zum Obere r ucken
des Gestänges U - eRd a 2/2.
35
ß.[.J
... ........ . .
~
•v
o ~;::::::~--:-~
15202530
Über tragungswinkel
'00
50
E
E
Aus dem Diagramm c. das die entscheidende Energieaufnah me bis zum Durchschlagen des
Gestänges darstellt, erkennt man. dass bei kurze n Spurhebel n g rößere Übertrag ungswinkel
erforde rlich sind. will man ei ne Mindestenorgiea ufnah me nicht unterschreiten . Tatsächl ich
liegen die minima len Übertrag ungswinkel bei Pkw zwischen 20" bei langen und 30" bei
kurzen Spurhebeln IJ03].
Zahnstan genlenkung. Die Lage des Lenkgetr iebes (vor ode r hinter der Achse) legt die
Anordnu ng des Ritzels z ur Zahnstange u nd die Ausrichtung der Spurhebel fest. Die Über-
trag ungskette muss ja so sein. dass beim Drehen des Lenkrads nach rechts auch die Räder
nach rechts eingesc hlage n werde n. Bild J -47. Die Lenkbeweg ung des Fahrers wird ja über
die Lenkwelle auf das Ritzel und damit aufdie Zahnstange übertragen.
Die Spurhebel können unabhängig von de r Lage des Le nkget rieb es nach vorne oder na ch
hinten weisen. Z ur Erzielu ng einer reinen Ackerma nnlenkung müssen die Hebel dabei aller-
dings zur Fah rzeuglängsebene geneigt werden, Bild J-48. Die Übertragu ngsglieder (Spur-
stangcn und Hebel) und die Vorderachse beschreiben in der Draufsicht in j edem Fall ein
Trapez und kein Parallelog ra mm. Deshalb spricht man bei diese r A nordnung auch von einem
Lenktrapez (steering trapezei . Weisen die Spurhebel nach außen. werden die Spursta ngen bei
gleichem Lenkgetriebe länger. Beim Federn der Räder kommt es da nn im Allgemeinen zu
geringeren Relativbewegungen der Spursta ngen und damit zu weniger Eigenlenkverhalten.
Mit der prinzipiellen Ausrichtung der Spurhebel ist allerdings noch nicht gewährleistet,
dass de r gew ü nschte Verlau f de s Spurdiffere nzw inkels (siehe Bild J-7) erreicht wird . Die
Bewegun gen der Gelenkspunkte T und U der Spursta nge sind ja bei m Lenken g rundsätz-
lich a ndere. Bild J -49. Das Zahnsta ngengelenk T bewegt sich auf einer geradlinige n Bahn
quer zur Fahrtrichtung und der A nschluss U am Spurhebel rotiert um die Lenkachse EG,
beschreibt also eine Kreisbahn im Raum.
5 Über tragungseinrichtung und Achslager
J
,
,
~Fahrtr1chtung
Bild J-4 7 Lenkgetriebe vor der Achse.
Die Lenkrad bewegung w ird über das Zahnrad (1). das auf de r Lenkwelle sit zt. auf die Zahnstan ge (2)
ü bert ragen. D iese wie derum ist an ihren Enden übe r die Spu rstangen (3) m it den Spurhebe ln (4) gelenkig
verbunden. Wird die Zahnstange verschoben, dreht sich de r Radt räger (5) um den Punkt E. Damit die
Lenkbewegu ng gleich sin nig vom Lenkrad über tragen wird , muss d as Ritzel (1) unter der Zah nstange
sitzen. Zur Erfüllung der Ac ker man nbeding ung we isen d ie Spu rhebel nac h a ußen (Winkel ;' n egat iv).
Spurhe bel vor der Achse
I
,
-IlU
- +--3-
-h!
I:
Spurhebe l hi nt e r der Achse
Bild J -4 8 Anordn ung der Spurhe bel für eine Ac kermann-Lenku ng.
liegt de r Spurstangenanschluss U vor der Achse, m uss de r Spurhebel nach außen zeigen. Im anderen
Fall mit dahinte r liegendem Gelenk U zeigt der H eb el zum Wagen. Für ideale A ckerm ann-Winkel trifft die
Heb elverläng er ung nach hinten den Schnitt punkt der Hinterachse mit der Fah rzeugmitte.
I",
-
,
I
IE
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U ,.r--~
T
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G
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Bild J·49
Bewegung der Spu rstange
beim Lenken.
Beim Lenken beweg t sich de r
Punkt T m it der Zarmstanpe
parallel zur Fahrbah n u nd wird
T. Der zweite Anschlu ss U der
Spurstange dreht sich um die
Lenkachse EG und wi rd U'.
Bei diesem Beispie l ist kein
Nachla ufwin kel vorhanden, da-
her ist in der An sic ht von hinten
d ie Kreisbahn eine Nor male auf
d ie Lenkachse .
J Lenkung
Bei der Konstruktion der Lenkung müssen also die mittels untenstehender Methoden fest-
gelegten Gelenkspunkte noch fein justiert werden, damit sich die beim Lenken ergebende
Istkurve des Lenkw inkels der Wunschk ur ve (Sollkurve) bestmöglich annähert.
Gr undsätzlich bieten s ich einige Mög lichkeiten an Lenk get riebe und Lenk gestä nge
gegenüber der Vorderachse anz uordnen. Das Lenkgetriebe ka nn vor oder hinter der Achse
sitzen und unabhängig davon können die Spurhebel nach vorne oder hinten weisen. Das
Ritzel, befindet sich dabei über oder unter der Zahnstan ge. Die Bilder J-50 bis J -52 zeigen
prin z ipielle A nord nunge n mit annähernd g leiche r Lenkgeometrie. Die Spurst angen stelle n
die gelenkige Verbindung zwischen der Zahnsta nge und den Spurhebcln her und übertragen
dabei Zug/D ruek kräfte.
1[jFShrtric ht ung
Bild J·50 Lenk ung hinter der Achse.
Befindet sich das Lenkgetriebe hinter de r Vorde rachse, so weisen die Spurhebe l nach innen , Das Lenk -
getriebe ist asymmetrisch aufgebau t, wie es für zweisitzige Fahrzeuge üblich ist (Linkslenker). Das Ritzel
sitzt über de r Zahnstange , An den Enden der Zahnstange sind die Spurstangen befestigt.
lfFah rtri chtung
Bil d J - 51 Lenkung hinter der Achse.
Das Lenkget riebe befindet sich hinter und oberha lb de r Mittellinie der Vorderachse. Die Spurhebel weisen
nach vorn. Damit d ie Spurstangen trotzdem lange ausgeführt we rden können, was aus kinematischen
Gründen angestrebt w ird, erfo lgt d ie Anb ind ung an die Zahnstange in der Mitte (.Mittenabgriff"). Sind die
Spu rstangen zu kurz, kommt es zum une rwünschten Eigenlenkve rhalten beim Ein- und Ausfedern. Das
Ritzel sitzt unter de r Zahnstange ,
5 Übertragungseinrichtung und Achslager
~Fahrtrichtung
d~-'--"""
"*:I~
T
Bild J-52 Lenkung vor der Achse.
Bei dieser Anordn ung liegt das Lenkgetriebe vor der Achse und die Spurhebe l w eisen nach hin ten und
innen. Das Ritzel sitzt über de r Zahnstange .
Beim Ein- und Ausfede rn der Räder soll idealer weise keine Vorspur ände rung de r Räder,
also keine Lenkbewegung auftreten . In dem Zusa mmenha ng kommt es auf die Lage der
Spurstangcngclcnkspunktc T und U in Bez ug zu Rahmen und Fahrwerk an. Erfolgt nämlich
beim Fede rn eine Rclativbcwcgung zw ischen den Gclc nkspunktcn, ist eine Le nkbeweg ung
der Räder die una uswe ichliche Folge (bump s teer ing v.
Bevor kinematische Untersuchu ngen durchgefüh rt werde n, muss der Spurhebcl festge-
legt werden, Bild J -53. Übliche Spurhebe llängen r liege n g rob im Be reich um 100 mm .
J"'-k"r ·sin x
E!I
U
G
J
U'
lI,ah ' t" Oht' o,
U
Bild J-53
Ermittlung des Spu rhebelqelenkpunkts U.
Bevor die Lage von Lenkget rieb e und Spu rstange festge-
legt we rden kann, wird die Anbind ung an den Spurhebel ge-
braucht.
Der Spurhebel weist nach außen (U') oder innen (U), vgl. Bild
J · 48, liegt also in der Ansicht von hinten links oder rechts von
der Lenkach se EG. Der Abstand k kann aus den festge legten
Werten des W inkels '; und der Spurhebel länge r ermitte lt wer -
den.
J Lenkung
Bild J - 54 Erfo rder liche r Freigang des Len kqest änq es.
Dargestellt ist das linke Vorde r rad . A uch be im größten Einsch lagw in kel o ma x mu ss d ie Sp urstange ur
einen Abstand zur Felge aufweisen. Der zur Verfügu ng stehend e Plat z wird dad urch eingeschränkt. Man
erkennt auch , dass der Platz für den Spurhebel umso kleiner wird, je höher er innerhalb der Felge liegt
-T
J ._._
••
Eine weitere Überlegung zur Lage des Spurhebels und der Spurstange ergibt sich - bei
vorne liegenden Spurhebeln - aus dem zur Verfüg ung stehenden Baura um innerhalb der
Felge. Beim g rößten Einschl agw inkel de r Räder darf es ja zu keiner Koll ision zw ischen
Spurstange und Felge kommen. Im Gegenteil - man w ird sogar einen Sicherheitsabstand
lassen, dam it auch trorz Elastizitätcn in der Lenkung immer ein Abstand zw ischen den Tei-
len verbleibt, Bild J-54. Wird ein großer Einschlagwinkel gebraucht, kann es erforderlich
sein, den Spurhebel in vertikaler Richtung zur Rad mitte hin zu verschieben, wo die Felge
den größten Rau m frei gibt.
Wenn der Spurhebelpunkt U festliegt, muss der zweite Anschluss der Spurstange T gefun-
den werden. Dies ist unter anderem mithilfe von Polen möglich, Bilder J -55 bis J -60. Liegt
der Anbindungspunkt T fest, ist auch die Lage des Lenkgetriebes gegeben, denn die gleich-
namigen Punkte der anderen Fahrzeugseite ergeben sich ja durch Spiegelung an der Fahr-
zeug mittenebe ne. Eine nahe liege nde Möglichkeit, da s Lenkgetriebe anzuo rdnen ist die. die
Spurstangen mit den Ebenen der oberen oder unteren Dreiecksque rlenker zusammenfallen
zu lassen. Liegen dann noch die Anbindungspunkte T der Zahnstange auf den Drehachsen,
kommt es bei Geradeausfahrt zu keiner Lenkbewegung beim Federn . Bild J-55 .
Ufik"-
<,
u
E
,
I
T
Bil d J-55
Lage de r Spurstangen oh ne Eiqenle nkve rhalten . Dra ufsich t
(unten) und Ansicht von hinten (oben),
Die Spurstange mit den Gelenken T und U liegt in der Gera-
deausstellung in der Ebe ne des oberen Dreiec ksq uer len ke rs
mit de n Anbindunqsp unkte n E,C u nd F. Das Zah nsta nge n -
gelenk T liegt auf der Drehachse CF des Ouertenkers. Auch
d ie Verb indung U zw ische n Spurstange und Sp urhebe l liegt
in de r Ebene d es Ouerten kers.
478 1
5 Übertragungseinrichtung und Achslager
J
"
Bild J ·56 Erm ittlung der Spu rstangenlage.
Bekannt sind die Gelen kspun kte der Querlen ker. näml ich E und C bzw. G und D. sowie de r Spurhebelan-
schluss U. Dam it la sst sich d er Pol P, erm itteln. Der Pol P2 ergi bt sich aus dem Schnittp unk t der Ge raden
GE und DC. Anschließend wi rd d er Win kel a ermi tte lt. den die Gerade UP , m it dem u n t eren Querlen ker
GD einschließt. Die Orie ntierung des Winkels ausgehend vom Querlen ker ist w i chtig, de nn im eeceo
Sinne muss der Winkel von der Verbindung der Pole P'P2 aufgetragen werden. D . h . läge U unter dem
Ouertenker, so müsste a in d ie andere Richtun g von der Strec ke P~ aufget ragen werden. Der Spu rstan-
genpol P 3 fo lgt aus dem Schn ittpu nkt der Ge raden UE m it dem zuletzt g eze ichn et en Wi nkelsche nkel.
Nun lässt sich der gesuchte Anschluss T d e r Spu rstange fes tleg en. Er erg ibt sich aus dem Schnitt von
P3C mit P,U -
,-
--
Muss das Lenkgetriebe hoch angeordnet werden, so kann auch die Spurs tange über dem
obere n Querlenker zu liegen komm en, Bild J -57.
"
•
c
Bild J·57
Ermi ttlung der
Sp ur st anqe nlaqe .
Die Vo rg ehenswei se in
dem Bild ist jene aus Bild
J-56 . Der einzige Unter-
sch ied liegt in der Anord-
n ung des S purhebels UE.
Er ist oberhalb des obe-
ren Querlenkers EC an-
.[==~~~~~i\;P' ge b rach t und weist nach
' ~-------1}----
hinten inne n. Damit ergibt
<:
sieb auch d ie Anbind un q
T an die Zahnstange ober-
halb des Querlenkers.
n
1479
J Lenkung
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c
•
,
r,
-~
Bild J-58
Ermi tt lung der Sp urstanqentaqe.
Die vorqehensweise in dem Bild ent-
spricht weitgehend jener aus Bild
J -56. Die Gelenkspunkte E, C und G.
o sind also ebens o bekannt wie der
Spurhebelanschluss U. Nur ist im
vorl iegenden Fall der Pol P, bei pa -
ralle len Querlenkern ein Fernp unkt.
Zur Bestimmung von P3wird nun die
Gerade UE m it einer Parallelen im
Abstand a (Orientierung, also nach
oben oder unten , w ieder wichtig w ie
im Bild J- 56) vo n P2 geschnitten. Mit
dem Spurstangenpol P3 folgt der
Zatmstanqe nanle nkp un kt T direkt aus
dem Schnitt de r Geraden P3C m it der
Sp orstanpe.
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•
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E
G
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Bild J-59 Ermittlung der Spurstangen lage an McPhersonachse.
Bei diese r Mcghersonachse li eg t de r Spu rhebel m it seinem Anschluss U oberhalb und vo r de r Vorderach -
se. Neben dem Schwenklager mit den Gelenken E und G ist auch de r Querlenker GD gegeben. M it dem
karosserietesten Lager E und dem Qu erlenker w ird der Que rpol P, konstruiert. P, ist der Schnittpunkt
der Normalen auf die Bewegungsrichtu ng des Dämpferbeins mit dem verlängerten Quer-lenker. Der Pol
P2 ergibt sich nun aus dem Schnitt einer Parallelen zum Polstrahl P,E du rch G und der Geraden ED. Der
Winkela wi rd von der Geraden P1PZim gleichen Sinne wie de r gemessene Winkel zwischen P,E und P,U
a ufget ragen. M i t der Geraden UG lässt sich dan n de r Pol P3 konst ru ieren. M it dem Spu rstangenpol P3
fo lgt direkt der zwe ite Spurstangenpunkt T, we il er auf de r Ge raden P3D lieg t.
-
5 Übertragungseinrichtung und Achslager
Liegen die Querlenker in Kon struktionslage parallel, liegt auch die Spurstange parallel d azu,
Bild J-58.
Die Lage der Spurstange kann über die Betrachtung der Pole auch filr andere Radaufhän-
gungen herangezogen werden. Die BüderJ -59 und J -60 zeigen die Umsetz ung für die rad-
führende Federbein achse (McPherson). Man erkennt, dass je höher der Anhindungspunkt U
der Spursta nge an den Spurhebelliegt, desto weiter wande rt der Anlenkpunkt T an die Zahn-
stange zu r Wagenmitte. Das wiederum kann zu Problemen führen, wenn die Spurweite klein
und da s Lenkgetriebe lang ist. Im Extremfall bleibt nur noch die Lösung, die Spurstangen
nicht an den Enden der Zah nstange, sondern in deren Mille zu befestigen, vgl. Bild J-34e.
J
P,
Bild J-60
Ermittlung der Sp urstangen -
lage an McPhe rsonachse.
Die vorqebensweise zu r Be -
st immung des zwe iten Sp ur-
stangenp unkts T ist gleich w ie
im vorhe rgehenden Bild. Nur
d ie Ano rdnung des Spurhebe ls
ist ande rs gewä hlt. In v orliegen-
der Ano rdnung weist er nämlich
nach in n en und dabe i kann sein
An lenkpunkt U zur Spu rstange
auch unter dem Querlenkeran -
sch luss G liege n.
Oben besch riebene Method en gehen von ei nem ebene n Modell aus, was bei realen Fahr-
zeugen kaum vorkommt. Die solcher maßen besti mmten Punkte des Lenkgestänges können
somit nur als Anhaltsp unkte herangezogen werden. Die genaue Festlegu rig des Lenkge-
stänges nimmt der Konstrukteur durch "Probieren" an Zeichnungen oder am Rech ner vor.
Damit kommt er schneller ans Ziel als mit aufwändigen Hilfskonst ruktio nen, d ie den räum-
lichen Charakter der Lenkung und des Fahrwerks berücksichtigen [Iüj ].
Treten am geb auten Fah rzeug Lenkbewegu ngen bei m Federn auf, so kann das Verhalten
durch Verschieben des Lenkgetriebes bzw. durch Länge nänder ung de r Spursta ngen verbes-
sert werden, Tabelfe J·3.
Ta b. J ·3 Abh ilfemaßnahmen be i Eigen lenkverhalten , n a ch [J10)
l enkbewe gung b eim
Einfed ern Ausfede rn
Abhilfema ßnahme
Verschiebung des l enkgetriebes l änge de r Zahn st ang e
Vorsp ur
Nachspur
vor der Achse : anhebe n
hinter der Achse : absen ken
Nach sp ur Vorspu r
vor der Achse: absenke n
hin ter de r Achse: abse n ken
Nach sp ur Nachspur
vor de r Achse: verlängern
h inter de r Achse: kürzen
Vo rsp ur
Vorspu r
vo r de r Achse: kürzen
h int er der Achse: verlängern
1481
J Lenkung
Spurstangen müssen in ihr er Länge fcincinstcllbar sein, damit Vor/ Nachsp ur und Eigen-
lenkverhalte n (hump steer) ju stiert werden können. Ähnlich wie bei den Druckstüben der
Feder ung ist es auch hier vorteilhaft, wenn dies ohne Zcrlcgu ngsarbcit möglich ist. Dazu
kan n d ie Spur stange mehrteilig au fgebaut sei n und dazw ischen ein Verstellgewinde auf-
weisen, da s noch eine entsprechende Sicherung braucht. Die Ausführung für eine typische
Pkw-Lenk ung zeigt Bild J-61.
Die Verbindu ng zu den Spurhebeln wird mit Gelenken mit Kugelzupfen realisiert , wie
sie in Kap itel H 3.3 vorgestellt sind . Der Anschl uss an die Zahnstange e rfolgt mit an- bzw.
einschraubbare n Kugelgelenk en, di e die räumliche Bewegu ng zw ischen Lenk getriebe und
Spurhebel zulassen und trotzdem in Längsrichtung steif gcnug sind für eine hohe Lenkprä-
zision. Bild J -62 zeigt mögliche Ausführungsformen.
Bei Rennfahr zeugen bieten sich Spurstan genanbindu ngen üb e r Gelenkk öpfe an. Die
Spurstange selbst kann als gerades Rohr ausgefüh rt werden mit einer Gabel oder einem
Bil d J - 61 Spu rstange eines Pkw.
Abgebilde t ist eine Scurstanqe. die ein Zah nstangenen de mit dem Spu rhebel verb indet.
1 Ku gelgelenk zum Spurhebel ball joint
4 Einschraubanschl uss an Zahnst ange
2 Kontermutt er lock nut
screw·in joint 10 rack
3 Spurstange tie rod
5 Zahnstange rack
Bi ld J - 62 Kugelgelenkanschlü sse für Zahns tangen.
Diese Anschl üsse sind für Zahnstangen getriebe m it Seitenabtrieb.
a Gehäuse w ird in die Zahnstang e eingeschraub t
b Kugelzapfen w ird in die Zahnstange eingesch raubt
5 Übertragungseinrichtung und Achslager
Einsch raubgewind e am Ende für ein Gelenk lager. Das Zah nstan genende weist da nn zur
Gelenk sverbindung jeweils das Gegenstück auf. Die Längenverstellu ng erfolgt über Links-
Rechtsgewindeko mbinat ion so w ie bei den Dr ucks täbe n de s Fahrwerk s (siehe Kapitel H 7.2
Bauteile von Doppel ouerlenkeru chsen], Bild J-63 .
Das Achslager (axle hm ring). das auch die Radlasten überträgt. muss au sreichend dimen-
sioniert sein und entsp rechend viele Freiheitsg rade au fweisen. Es muss de n maximalen Rad-
lenkwinket ermögliche n und gleichzeitig die Hubbeweg ung des Rads zulasse n. An dieser
Stelle biete n sich Gelenkluger a n, die sich durch ei nen bes onde rs gro ßen Schwenkwi nkel
auszeichne n. Bild J-M .
J
[0 j ~i ---h9)~-~ )
D~-J~-: -' ~ 1 Gabel clavis
2 x onte rrnutte r sccx nut
3 Rührstück tube
4 Gelenkkopf rod end
Bild J·6 3 Spurstange eines Renntahrzeoqs.
Die Spurs tange ist mehrteilig aufgebaut und bes teht aus einer G abel (1). einem Rührstüc k {3) und
einem Gelen klager (4). Die beiden Gewinde an de r Gabel und dem Gelenkkopf sind je ein Links- und
ein Pechtsqewmde . So läss t sich d ie Vorspur durch drehen des Rührstücks (3) stutentos einstellen. D ie
Verbindung wird mit Kont er m ette r n (2) ges ichert. Oie Gabel kann natürlich auch in das Zahnstange-
nende eingesch raubt werden. Die Spurstange t rä gt in dem Fall beioseits einen Gelenksko pt
Bild J-64
Achslager an einem O uenen-
ker m it Oruckstabanbindunq
(Reynard 094 F3000).
Dargeste llt ist das rechte Vorder-
rad.
A ls Traglager supporting joint
(hier unteres Lager) ist ein Gelen-
klager mit erweitertem Schwenk-
be teich. d . h . zylindrische Ansät-
ze am Innenring. verbaut. Das
Lager i st aufrecht angeordnet.
damit es d ie Rad lasten vorteilhaft
als Radia lkräfte zur Druc kstrebe
überträgt.
1483
J Lenkung
Bild J-65
Vorderrada ufhängung eines
Rennfahrzeugs (Formel Ren ault
2000), linke Fahrzeuqseite.
Die Spurstanqe (1) liegt am An-
schlag des Lenkgetriebes an
(nicht zu sehen im B ild), d . h.
der maximale Lenkwin kel nach
rechts (ca. 16") ist zu sehen. Der
Anlenkpunkt des Lenkhebels für
d ie Sp urstanqe rea lisier t mit d em
Gelenkspunkt des ob eren Quer-
lenkers ein Lenktrapez.
Bild J-G6
An sicht des Fahr zeugs aus dem
obigen Bi ld von vorne (lin ke
Pabrzeu q seite).
Die Spurstange liegt in d er Ebe-
ne des oberen Querlenkers. Der
Bun d (1) an d er Zahnstange s te llt
den Anschla g der Lenkbewe-
gung d ar,
6 Lenkungsschwingungen
Shim my (vibrations of the s teering system)
Das Le nksyste m besteht a us meh rere n Masse n. d ie beweglich mitei nander gekop pelt s ind
und zum restliche n Fahrzeug zumindest einen Freiheitsgrad aufweise n. Dieses System ist
also schwingu ngsfähig . Tatsäch lich machen sich vornehmlich z we i Arten von Schwi n-
gungen bem e rkba r. Einmal die Lenkunru he als Schwingung im Be reich der Eigenfre-
quenzen der ungefederten Massen. also bei 10bis 15 Hz. Zum anderen das Schlingern im
Bereich der Wan kfrequenz des Fahrze ugs. Diese liegt etwa bei 2 Hz [J03].
Lenkunruh e niggle. Die Anregung erfolgt dur ch d ie rot ierenden Räder. a lso durc h
Unwuc hten von Rad und Reifen sowie durch ungleiche Reifenstei figkeiten . Die Reifens tei-
figkeit wirkt auf die Lenkung wie die Radlast über den Radlasthebelarm 'I . Je kleine r also
der Hebela rm q a usfä llt, de sto geringer ist der Einfluss von Radlasts chwa nkungen auf die
4841
7 Allradlenkung
Lenkung. Unwuchten wirken in der gesa mten Radebene und auch als Dcvianonsmomcnt c.
Sie greifen also über den Rudlasthcbclarrn und über den Sprciz ungsvcrsatz an der Lenk-
achse an.
Schu ngem roll. Das Schlingern ist im Grunde eine Drehschwingung des Lenkrads um
seine Drehachse. Das polare Massenträgheitsmoment eines Lenkrads an sich ist zwar klein,
im sehwingfähigen Lenksystem wirkt es aber über die Lenkübersetzung. Bei der reduzie-
renden Energiebetrachtung (E "'"0,5 . JI-l W1l2) des Lenksystems auf eine Bczugswinkclgc-
schwindigk cit geht dabei die Übersetz ung z um Quad rat ei n (Ered "'" 0,5' J I-l is 2wne; ui?)' Je
nach Lenk übersetzung können so einflussreiche Werte in der Größenordnung des Träg-
heitsmoments des Fahrze ugs um die Gierachse wirksam werden. Es liegt demnach nahe, ein
Lenkrad mit möglichst kleinem Mass enträ gheitsmoment vorz usehen. Das hebt die Eigen -
frequenz, bei der Schlingern auftritt, an. Ein Nachteil dabei ist, dass ein solches Lenkrad
auch die Lenkunru he weniger ..filtert ", also für den Fahrer spürbarer weitergibt.
Lenk u ngsdä mpfer steering damper. Wie bei jedem schwingungsfähigen System können
auch in der Lenkung Dämpfer zwischen- ode r dazu geschaltet werde n. Bei Pkw gab es
Lösungen mit elastischen Elementen zw ischen den Spurstangen und den Spurhebeln. aber
die Lenkpräzision leidet merklich unter solchen Einbaute n P 09] und diese Systeme vergrö-
ßern auch die beteiligten Massen.
Parallelgesc haltet e Le nku ngsdämpfer helfen da s Schlinge rn z u he m men . Die Wirkfr e -
quenz der Lenkunru he liegt im Allgemeinen zu hoch für übliche Lenkungsd ämpfer. Für
diesen Anwendungsfall sprechen sie viel zu träge an.
Als Lenkungsdämpfer kom men d ru cklose Einrohrdä mpfer(vgl. Kapitel H 5.2 Fuhrwerk)
zum Einsatz . Der Einbau erfolgt in alle r Regel liegend und Lenk ungsd ämpfer dürfe n ja kei-
ne Kolbe nstan ge n-Au sfahr kraft au fwei se n. wie sie bei Gasd r uckdämpfe rn prin z ipbed ingt
vorliegen. Sonst würde die Lenkung durch den Dämpfer z ur Druck seite hin einschlagen.
7 Allradlenkung Four whee l steering
Elastek inematische Hinterradaufh ängungen bei Pkw z ielen meist darauf ab, untersteu-
erndes Fahrverhalten sicherz ustellen, z. B. beim Bremsen in der Kurve. Solche gewollten
Vorspu ränd eru nge n eines Rads s ind natü rlich reifenk rafta bh ängig. arb eite n nur in kleins ten
Winkelbereichen und helfen nur bei hohen Geschwindigkeiten. Der Gedanke liegt da nahe,
die Hinterräder gezielt zu Lenken und bei hohen sowie niedrigen Tempo einen Nutzen zu
erzielen. Der Aufwand ist dabei allerdings enorm: So muss der Lenk winkel unter ande-
rem von der Fahrgeschwind igke it abhängig ge regelt werden . Zusätz liche Einga ngsgrößen
sind der Lenkra dwinkel und die Giergeschwindigkeit des Wagens. Aus Sicherheitsgründe n
müssen die Werte mehrfach am besten mit unterschiedlichen Methoden erfasst werde n.
Ein elektronisches Ste ue rge rät e rmittelt aus dies en Einga ngsgr ößen den Fahrzu stand und
berechnet den opti malen Hinterradlenkwinkel. Dieser wird von einem Aktuator eingestellt
und von einem Wegsensor kontrolliert und an da s Steuergerät zurück gemeldet.
Der Aufwa nd scheint zu lohnen, weil einige Pkw-Hersteller schon solehe Systeme in
Serie gebracht haben (Honda. Nissan , Mazda. Toyota Ende der 191'10 Jahre und jü ngst
J
1485
J Lenkung
Nissa n 2()(J9). Solche Systeme we rde n allgem ein als Zosutalcnka nlagc (a uxilia r)' s teering
equipment) bezeichnet. Beim Pkw stab ilisie rt d ie Hinte rachs e beim schnelle n Spurwec hsel
mit gleichsinnigem Lenken zu den Vorderrädern und hilft beim Einparken den Lenkauf-
wand zu verr ingern. indem die Hinterräder gegensi nnig zu den vorderen einschlagen. Mit
einer Zusatzlenkung kann auch die Scitcnkrafta uftcilung bei Kurvenfahrt verbessert wer-
den. Bild J -67.
Bild J - 67 Verlauf der Radeinschläge mit Zusatz lenkung , nach Nissan [JOS].
Die Stellung der Hinterräde r ist nicht d irekt an den Einschlag der Vorderräde r gekoppelt, sondern ri chtet
sich nach dem Fahrzustand.
1 Einlenken: Durch gegensinnigen Einschlag der Hinterräder wird die für eine stab ile Ku rvenfahrt nöti-
ge Giergeschwindigkeit rascher erreicht.
2 Kurven fahrt: Stabile Kurvenfahr t mit den größeren Seitenkräften an den Vorderrädern.
3 Auslenken: Die Seitenkräfte an der Vorderachse werden reduziert.
Auch bei Rennfahrzeugen kann eine Allradle nkung lohnen. Sie kan n etwa das Problem des
Leistungsuntersteuern beheben. das bei stark motorisierten Fahrzeugen mit enormen Rci-
fcng rip der Hinterräder auftritt. Die angetriebenen Hinterräder übernehmen so die Haupt-
wirk ung beim Lenken fu r die überforderten Vorde rräder [Jl O]. Die Zusatzlenk ung hilft
auch den Zielkon flikt bei der Festlegurig des Radst ands zu lösen. Bei langen Radständen
wird die Wend igkeit in engen, langsamen Kur ven durch das Mitlenken der Hinterräder
erhöht, ohne dass der Vorte il eines langen Radstands auf schnelle n Geraden verloren geht
indem die Hinterräder nicht meh r gele nkt werden.
K
Getriebeauslegung
Transmission calculation
Ein sta rker Moto r ist fürein Rennfahrzeugebenso wichtig wie ei n z uverlässiger Ant riebst ra ng.
Noch wichtiger ist alle rdings. dass die Leist ung des Motors auch effiz ient auf die Fahrbah n
gebracht wird , damit das Fahrzeug die gewünscht hohen Fahrleistungen zeige n kann. Dafür
ist das abgestim mte Zusamme nspielen von Motor und Ant riebstrang entscheidend. Ocr
Motor arbeitet nur einem bestimmten - bei hochgezü chteten Triebwerken meist äuße rst sch-
ma len - Drehza hlband. Die Ant riebsräder mü ssen aber in einem g roße n Drehzahlbereich für
den Vortrieb sorgen . Das Get riebe ist die Baugruppe. die zwischen Moto r und Fahrbahn ver-
mittelt. Dami t es das möglichst wirkungsvo ll schafft, müssen die zu überwindenden Fah rwi-
derstände und die zu r Verftigung stehende Motorleist ung aufeina nde r abgesti mmt werden .
1487
K Getriebeau slegung
1 Leistungsbedarf Power de mand
Kraftschlu ss, Reifenkräfte F w grip. tyreforces. Die ma ximale Kraft Frsl' die ei n Rei-
fen über trage n kann . hängt vereinfacht dargestellt VOll der Radlast Fw.z (z um verwendeten
Koord inate nsyste m. siehe A nha ng) und von den Reibungsverhält nisse n zwische n Re ifen
und Fahrbah n ab.
Frsl = !IW• Fw.z
Jlw
Fw.z
resu ltierende Reifenk raft [N]
resultierende Haftreibungszahl l-l . Wert e siehe Tabelle K-\
Radlast [N]
Tab.K·'
Haf tr eibungszahlen II w von Reifen auf Stra ßend ecken. nach [KQ2]
Fah rg e-
sc hwi n-
digkeil Vv
(km/h)
Reifenzu-
st and
t ro cken
nass,
Wass erhöhe
ca.0,2mm
Straßenzusland
star ker
Regen,
Wass er hö he
ca.1mm
Pfützen ,
Wass erhöhe
ca.2mm
vereist
(Glattei s)
FW.Y.max = 11w.y . Fw .z
50
c'"
0,85
0,65
0,55
0.5
0,1 und
kleiner
abqen ütztü
0.5
0,4
0,25
90
""
0.8
0.6
0.3
0,05
a bgenütztu
0,95
0.2
0.1
0,05
130
""
0,75
0.55
0.2
0
a bgen ütz tu
0.9
0.2
0.1
0
'1 abgenützt auf ~ 1,6 mm Profilhöhe (Mindestwe rt nach § 36.2 StVZO)
Man erke nnt in Tabelle K-1. dass auf trockener Fahrbah n die abge nützten Reifen durc h-
wegs höhere Haft reib ung aufweisen als neu e. Noeh besse r sind profi llose Reifen (Slicks) ,
die im warmen Zustan d werte um 1,5 bis 1,8 er reichen. Genaueres siehe Kap. G 2.3 Einfl uss
auf das Fahrverhalte n.
Die maxima le Umfangskraft Fv.' .x u nd Seite n kraft FW.Y ergibt sich zu:
FW.x .max = Jlw.x
. Fw.z
Fw.X.max maximale Umfangskraft [N]
FW. V
.m ax
maximale Seite nkraft [N]
pw. x
Haftreibungszahl in Längsr ichtung (- )
pw.v
Haftreibungszahl in Querrichtung [-]
Treten Umfangs- und Seite nkräfte gleichzeitig an einem Rad auf, so kann die resultierende
Kraft die maximal mögliche Kraft F<sI nicht überschreiten:
Frsl Gesamtk raft am Reifen auf der Fah rbahn [N ]
488 1
1 Le istun gsbe d arf
K
a
Kamms eher
Kr eis
b
Bi ld K-1 Kräfte am Reifen an der Hattqr enze.
a Einachsantrieb sing/e -ax/e d rive
b Alirad ant ri eb all-wheel-drive
Die X-Richt ung weist in Fahrt richtung . Der Kammsche Kreis stellt die maximal übe rt ragbare Kraft F"' I in
sämtlic hen Richtungen d ar. d . h. die Vektorsumme aus Umfangsk raf t Fw.x un d Seitenkraft Fw.v kann d en
K reis nich t üb errag en , Dadur ch ist die Größe beider Kräfte voneinand er abhängig.
Du rch diese Tatsac he w ird der Vortei l eines Allrad ant riebs offe nsichtlich. Bild K~1. Die
erforderliche Antriebskraft für ein Fah rzeug teilt sich bei Einachsantrieb auf zwe i und bei
Allrada ntrieb aufvier Räder auf. Die erforderliche Umfa ngskraft eines Reifens ist daher bei
All rada nt rieb genau die Hälfte de r Umfangs kr aft bei Einachsa nt rieb. Bei gleicher Gesamt-
a nt riebsk raft kann d as Allradfa hrze ug so mit größere Seite nk räfte au fba uen.
Der Motor t reibt die Räder an und diese müssen mit den übertragbare n Kräften die Fahr-
widerstände überwinden. damit das Fahrzeug fahren und beschleunigen kann. Die Wider-
stände setzen sich zusa m men aus :
Rollwid e rsta nd.
Sch räglaufwi derst and.
Luftwiderst and.
Steig u ngswi derst und.
Besch leu nig u ngswide rsta nd .
Rollw id erst and mlling resistance FR . Durc h die Deform at io n de s Reifens beim Abro lle n
und die ungleichmäßige Druckverteilu ng im Latsch entsteht eine Kraft. die de r Bewegungs-
richtu ng des Fahrzeugs entgegenwirk t (gc naucrcs siehe Kapitel G 2.3). Diese Kraft hängt in
erster Linie von der Radlast ab:
FR Rollwiderstand [N]
kR Ro llwiderstandsbeiwe rt [-] .
Werte siehe Tabelle K~2 u nd
Bild K~2
1489
K Getriebeau slegung
Bild K-2
Rollwiderstand als Fun kt ion
d er Fahrgeschwin digkeit.
Der obe re Bere ich des Werte-
cenoe gehör t zu HA. VR und
WR Radial-Reifen, der entere
Bereich entsp richt Radial-
scoacnco.
200
-----~ ---_._... _
.._._ ..
_-- ,
50
100
Ges chwindigk e it v.
"
0.' __ '_"-
•••__~
•
._•• _._•• __,
••_
.:2 0,020
r
~.
-
~ 0,015
•
-e
<
•
t: 0 ,010
"•
-e
.-
~~ 0 I 0 0 5 +o----T----,-,c:------:,,----,-,--~
Tab . K -2 Ric htwe r te für Rollwiderstandsbeiwerte, nach [K0 1).
Fahrbahn
Ro ll widerstand sbeiwert k R
starr
Asphalt
0,010
B eton. qlatt
0,011
Bet on. rau
0,014
verform bar Erdweg, gut
Eroweq, schle cht
0,045
0,1 60
loser Sand
0,150 bis 0 ,300
Mit steigen der Fah rgesc hwindigkeit ni m mt der Rollwiderstand zu. b is etwa 60 km / h kan n
er als konstant angenommen we rden.
Der Rollwiderstand kann aueh in gewissen Gre nze n mit dem Setup beeinflusst werde n.
Die einfachste Möglichkeit biet et de r Reife nfli lldr uck. Abcr auch die Radstellu ng ist bede u-
tend. Durch Vorspurstcllung dcr Räder nimmt der Rollwidcrstand zu und zwa r um etwa I %
je ](1' Vorsp urwinkel ov.o eines Rad s [K05]. Eine Nachspu rstcllung verringert den Rollwi-
dersta nd hervorger ufen durch negativen Stu rz, Näheres siehe Kapitel H Fahr .....erk,
Schrägtaufwiderstand resistunce äue ro tyre slip F u .Ein rolle nde r Reifen. der eine Seite n-
kraft überträgt, wird von den Reib ungskräften deformiert. Dadurch falle n die Bewegungs-
richtu ng des Reifens und seine Mittelebe ne nicht mehr zusa m me n. wic es beim Geradeaus-
lau f de r Fa ll ist. Beweg ungsrichtu ng lind Mitteleb e ne sc hließen den so gc nan nten Schräg-
lau fwinkcl ein (genaueres siehe Kapitel G Reifen und Rüder). Der Bewegungsricht ung wirkt
dann eine Kraftkomponente der Seiten kraft entgegen. der Sehräglaufwidcrstand .
Sch räglaufwidersta nd [NI
Sch rägl aufwi dcrsta ndsbeiwe rt l- I . Werte: Bild K-3
Radlast [N]
De r Schräglaufwiderst and w ird auc h bewusst zu m Bre msen eingesetzt. Auf dc n Ova l-
kursen der nordame rikanischen NASCA R und Indy-Scric ist in den (überhöhten) Kurvcn
490 I
o
o
1
2
3
Sch rä glaufwinkel
5
1 Leistungsbedar f
Bild K-3
Schr äg laufw ider standsbeiwert in Ab-
hängigkeit vom Schräglaufwinkel [K08).
Man erkennt, dass ab etwa 2" Schräg-
taulw inkel ähnlich große Widerstände
vor liegen w ie durch den Rollwide rstand
bei Geradeausf ah rt.
K
der Gesch windigkeitsabfall so gering. J ass viele Fahrer ohne den Fuß vom G as zu neh men
die Kurve durchfahren. Statt eines Bremsmanövers provozieren sie mit entsprechendem
Lenkwinkel einen erhöhten Schr äglaufwidersta nd.
Luft wide rsta nd drag FL' Der Luft widerstand hängt ha uptsächlich vom Staudruck. den
das Fahrzeug in der Luft hervorruft, und von der Spantfläche ab:
I
FL=-PL 'CW'Av'\'[
2
FL Luftwidersta nd [N]
PI. Dichte de r Luft [kg/m.l],P L = 1,199 kgJm-' bei einer
Temperatur von 20 "C. einem Luftdruck von 1.013 bar
und einer rcl. Luftfeuchte von 60 %
('w Luftw ide rst andsb eiwert [-]
Av Querspantfläche [m2]
I'L An st römgcschwindigkcit [rn/s]:
bei Windstille gilt I'L = I'V ' mit "v Fahrgeschwi ndigkeit
Die Ansrrömgcschwindigkcit \'List auf das fahrende Fah rzeug übertragen die geo metrische
Summe aus der Windgeschwindigkeit und der entgegen der Fah rtrichtung wirkende n Fah r-
gesc hw ind igkeit I"V'
Die Luftdichte für ande re Temperaturen und Drücke kann näherungsweise mit der idca-
lcn Gasgleichung ermittelt werde n:
Po
Pt=Rl..TL
Po Luftdr uck (bar]
RL Gaskonstante der Luft (kJ/(kgK)]. RL
"" 2g 7 kJ/(kgK)
TI. (absolute) Temperatur der Luft (K]
Ocnaucrc Werte fllr die Luftdichte liefert der Zusammenhang über die Luftfcuchrc:
349'pO- 13 1'Pe
PL=
TI.
Pe
Teildruck des in der Luft enthaltenen Wasser-
dampfes [bar].Pe = Pe.mal< . V I 100
Pe.mal< max imaler Damp fdru c k bei T [ba r]
U
relative Luftfeuchte [%]
K Getriebeausleg ung
Ocr Luft widerstandsbeiwert ( frag coefficient ) wird in erster Linie von der Form des Kör-
pers bestimmt. Tabelle K-3 gibt ei nen Überblick über einige geometrische Körper und über
typische Fahrze ugforme n. Einen we iteren Einfluss zeigt die Anströrnr ichtung. Beispielswei -
se erg ibt sich durch Seitenwind bei Fahrze ugen ei ne schräge Anst römu ng. Übliche Werte
von Widerstan dszahlen sind auf eine A nströ mrichtung in Fahrzeuglängsrichtung bezogen .
Den Einfluss schräger Anströmu ng auf den Luftwiderst and ze igt Bild K-S .
Tab. K -3 Lufl widerstandszahlen [K02].
Geometr ische Körper
IKörpe rform
c. Kö rp erform
c.I
-I
Sche ibe
1,1
- -i?
langer Zylinde r
Platte
Re< 200000
1.0
Re > 450000
0,35
-D
of fene Scha le.
1.4
-~
lange Platte lId - 30
Fallsch irm
Re 500000
0,78
Re .. 200000
0,66
1'
-
0 Kugel
~
lang er Tragflügel
Re' l < 200000 0,45
lId- 18
0,2
Re > 250000 0,20
lId..8 Re.. 1()6
0,1
-
Ild-5
0,08
~.
sch lanker Ro -
lId-2Re..2 ·105
0,2
-
tations körper
Ild- 6
0.05
1) Beyncldszam (siehe Anha ng)
Fahrzeuge
Fahrzeugform
Offenes Cabr iolet
Kastena ufba u
Ponto nfor m
Keilform: Sche inwerfer u. Stoa-
fänger im Rumpf int eg ri ert, Räder
abgedeckt, Unterb od enverkleidung,
opt imier te Kühlluftdurchst römu ng
c.
Fahrzeugform
c.
0,5- 0,7
Last wagen, La st zug
0,8 - 1,5
0.5-0 .6
Omn ibus
0.6 -0.7
0,4 -0 .55
Omn ibus m it Strom linienform
0.3 -0 ,4
0.3 -0,4
Motorrad
0,6 -0.7
Günst ige windschnittige Form
(Troptentorrm
0.15-0 .2
Rennfahrzeug F1 Oe nach Ausle ·
gung des Abtr iebs) [K03 ]
Rennfahrzeug Tourenwagen (je
nach Auslegung des Abtr iebs)
Opel caeora ITC 96 (K0 4)
0.6 -0.75
0,5
0,4 - 0,43
Die Q uerspantfläche eines Motorrad s mit Fah rer liegt im Bereich von 0,7 bis 0,9 m2, die
eines Pkw bet rägt ca. 2 m2, die eines Formelwa gens etwa 1.3 m2, Bild K-4 .
1 Lei stungsbedarf
1793
K
a
Bil d K·4 Querspantflächen von Fahrzeugen.
a Tourenwagen , A _ 1.59 m2
b Formelwagen . A
-
1.24 m2
b
::::0 , 8
•
007
~.
c
; 0,6
.
-
•
~0,5
~
c
e0,4
•c,
~0,3
.
-
~
...... .. _
_
:
,
:
,
········f······ ,
.;.......
.
~
~-[]JSt ufen heck- Pkw
Sportcoupe
Vo llheck · Pkw
o+---+-+- --+ -i -+ _
o1020304050
Anst römwinkel ß ( 01
Bild K- 5 Luftwiderstandsbeiwert bei Schrägans trömung [K08].
Bei schräge r Anströmung weicht der Luftw id er stand in Abhä ngigkeit von de r Fahrzeug/a rm teilweise
erhebl ich von dem Wert bei Geradanst römu ng ab.
Steigu ngswide rs ta nd c1imhing resistance f~. Der Steigungswide rsta ndentsteht bei Fahrten
auf einer geneigten Fahrbahn durch den Hangabtrieb. d . h. durch die fahrbahnp arallele
Gcwiclus kornponcnrc. Diese wirkt bei Bergau ffahr t dem Vortr ieb entgegen. Die Neigung
einer Fah rbahn wird im Allgemeinen in Prozent angegeben:
hz
q~-'']00%
'x
q
Steigu ng der Fahrbahn [%]
"z. Sx Strecken [m], auf der horizontalen Strecke ,~x wird durch
die Neigung q die Höhe hz erre icht
1493
K Getriebeausleg ung
,-
r~~
N
C
Bild K-6
Ste igungs wide rsta nd.
Der Steigungswiderstand ist die Gewichts-
komp onente de s Fahrzeugs, die in Fahr trich-
tung w eist.
Ocr Ncigu ngswinkcl der Fahrb ahn folgt daraus unmittelbar zu:
(hZ)
q
a= arctan s; = arc tan Jiii)
a Neigungswin kel [Cl
Mit d em Win kel ka n n der Hangab tr ieb aus d em Fahrzeuggewicht e rrec hnet wer de n:
Fq = IIIV,t • g -sinc
"« Steigungsw iderstand [NI
I11V.1 Gesamtmasse des Fahrzeugs [kg]
n esc hl eunlgun gsw td er st an d resistance 0/a cceleration Fa' Die bisher bet rachte ten Wider-
stä nde treten bei stat ionä rer Fah rt (d. h. IV = co nst) auf. Wird ein Fah rzeugjedoch beschleu-
nigt. muss die Massent rägheit überwunden werden und es kommt noch ein Fahrwidersta nd
hinzu. der Beschleunig ungswider stand. Dabei ist zu beachten . dass nicht nur die rein transla-
torisch bewegte Masse z u besc hleunige n ist, so ndern auch rotierende Massen, wie die Räder.
Antr iebswe lle n, Ge trieb eteile. Kupplung u nd d ie Ku rbeltrieb steile des Motors selbst. Die
rot ierenden Teile weise n alle rdi ngs nicht alle dieselbe Drehzahl a uf. so nde rn je nach Achsü-
bersetzu ng und eingelegtem Ga ng völlig unte rschied liche. Daher wird die gesamte ki netische
Energie auf die Fahrze uggeschwindigkeit und auf die Drehzahl der A ntriebsräder bezogen
und de r Energie einer so gena nnten reduzierten Masse gleichgesetzt. Daraus folgt die auf die
Ant r iebsachse red uzierte Ma sse :
'f.f rcd.n
fIIrcd,n = fIIV,1+ --,-
I dyn
11In..>d ,n au f d ie Ant riebsachse reduzierte Masse für den
Gang n [kg]
J rcd,n red uzi e rte s Massent räg heits moment ei ne s rot ie-
renden Teilsfür den Gang n[kgm-]
Der Beschleunigungsw idersta nd folgt mit dieser ncucn Größe zu:
F.
"x
Beschleu nigu ngswi dersta nd [ N]
Fah rzeugbeschleu nigu ng in Längs richtung [m/s2]
Das red uzierte Masse nträgheitsmoment eines Teils ist propo rt ional de m Massentr ägheits-
momcnt um die Drehachse dieses Teils und de r Übersetzung zu m Quadrat. Bei großen
Übersetz ungen werden für das Fahrzeug somit auch relativ kleine Drehmasse n bede utend,
Beim Zurückschalten in einen zu niedrigen Gang kan n der Beschleu nigu ngswiderstand von
Kupplung und Motor zum Blockieren der Antr iebsräder führen.
494 1
2 Getriebeplan und Zugkraftdiagramm
K
Verei nfacht kann der Beschleunigungswid erstand auch angeschrieben werden zu:
km Drchrnasscnzuschtagsfaktor [- I. Wcrte r . B. aus Bild K-7
,.
!..... ,
___ ..J
..1
j
--
. .--1
15
12
i, t-J
---- ---l
--- --
-
--- -- --.L
6
9
Überset zung
--- -~-
-
-
-
-.. -
-
--.-1---
-
-
-.- --
,···········r·········-······,····-····· -·····,'······
.
.......•i
!I,i
··__·········i······_-
..,..+.....
t•
a.
1,1
114.
••
1,0
0
3
1,2
1,3
::l 1,5
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E1,4
~
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o
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•
•
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•E
~
•
"o
Bil d K-7 Ric htwerte für den Drehm assenzusch lagsfaktor. nach [K0 1].
Die Gesamtübersetzungi1folgt nach Absc hnitt 4. Fürden 2. Gang ist zusätzlich eingetragen. wiesich a us
einer Übersetzung mit dem St reuband ein Wer tebereich für km ergibt.
Gesamt fahrw ide rstand total road reststunce Fdr. Die mimtest erforderliche Zugkra ft an
den Antriebsräder n ist gleich der Summe der Fahrwiderstände.
Fdr=FR+Fa+FL+Fq+F3
Fdr Gesamtfahrwiderstand [N]
2 Getriebeplan und Zugkraftdiagramm
Traction force diag ram
Get r iebepla n gear chart. Die theoret isch erreichba ren Fah rzeuggeschwindigkeiten in
Abhä ngigkeit von Reifengröße und Übersetz unge n lassen sich übersichtlich in ei nem G etrie-
bcplan (auch Sägeza hndiagramm oder Geschwindigkeits- Drehza hldiagramm) darstellen.
Dabei bleiben Reifen schl upf und Reifenwachstum unberücksichtigt. Die Geschwindigkeit
nimmt dann linear über de r Motordrehzahl zu und errechnet sich aus derGesamt übersetzu ng
(siehe Abschni tt 4) und der Reife ngröße. Die Maximalgeschwindigkeit fiir ei nen Gang n
folgt somit aus der Maximaldrehzahl des Motors zu:
rr
3.6
30 nM.max . l(jyn
"v.max.n =
it •n
VV.m3x.n Maximalgeschwindigkeit für den Gang n
[km/h]
Maximaldreh zahl des Mot ors [min - I]
Gesamtübersetzu ng im Ga ng n l-!
dynamischer Reifenr adi us [m] , s. Tabelle K-4
1495
K Getriebeau slegung
300
6.7.
250
4.5.
200
v- [km/h ]
2.3.
1.
100
150
Geschwi ndigkeit
--- - .1,
-----1
I
--------1--- -- -- ---------- +---- -- ----:::=1
_
_
___·_i
-i-__~
~
·i
________ _
:::t~:~:=_------1--------------~ -----1
----- -------- --
----- -j--- ----
------ --- i----
--------- ---- ---:
-
------- i
50
----------- -,---
-- --
I····t--
I--!--
----1---
4000
200 0
o
o
18 000
":"c: 16000
-
.=. 14 000
r! 12000
~
~ 10000
~ 8000
~ 6000
o
•
~
Bil d K-8 Gelriebeplan Perren Fl -200Q, nach [KOg).
Die maximale Motordrehzahl des vtc-ar-seocroctcre liegt bei 18 00 0 mm-t . Die Übersetzun gen der 7
Gänge sind für den Stadtkurs in Monaco ausgerichtet. In der lan gsa m st en Ku rve fällt die Motord rehzahl
im 1. Gang auf 6000 min-t ab.
Bei de r Drehzahl nM= 0 ist auch die Geschwindigkeit I'V = O. Damit lässt sich ei nfach für
jeden Gangder Geschwindigkeitsverlaufüberde r Drehza hl als Geradedurch den Nullpunkt
dars tellen . Bild K-H.
Zugk raftdiagram m tractton forc e diagramm . In einem Zugk raft diagram m werden die
an d en A ntriebs räde rn zur Verfüg ung stehende Z ugkraft u nd d ie Fahrw iderst ände üb e r
de r Fahrgeschwindig keit aufgetragen. D ie vorhandene Zugkraft hä ngt vom G a ng (a lso de r
Gesamtübersetz ung ) u nd von de r Mo mentenkenn li nie des Motors ab. Zusätzlich kan n noch
die so genannte Zugk ra ft hyperbel eingetrage n werden. D iese entspricht d er m a x im al m ög -
lichen Zugkraft bei einer ko nstanten Leistung.
Momente nkennlinie eines Verbrennungsmotors toroue curve. Ein Verbre nnungs motor
kann nur in einem bes timmten Drehzah l- und Drehmomentenbereich betrieben werde n.
Dieses Kennfeld wird demn ach durch die Ext remwerte d ieser Größen begrenz t. Innerhalb
des Kennfeldes wird die Last des Motors mit dem Fahrpedal gestellt, die Drehzahl ergibt sich
dann durch den Widerstand. den der Motor überwinde n muss. Ein Verbrennungsmoto r gibt
sei n maxi males Drehmoment an der Volllast (also WO% Fahr pcdulstclhmg] in ei ne m cha -
rakteristischen Verhalten überder Drehzahl ab, Der Verlaufhängt unter anderem vom Brenn-
verfahren (Otto, Diesel). von der Art der Luftzufuhr (Saugmotor, aufgeladener Motor) und
von de r Aus fü hrung (Sa ug roh rlä ngc. Vent ilsteuerzeiten. Boh ru ng / Hubverh ältnis us w.] ab.
Im Grunde sieht er abe r so aus wie in Bild K-9 dargestellt. Im Stillstand. also bei DrehzahlO.
kann der Motor kein Moment abgeben. für seine Funktion benötigt er eine gewisse Mindcst-
drehzähl. Durc h gasdynam isehe Effek te ni m mt das Volllast mo m ent zu näc hst m it der Moto r-
drehzahl zu . erre icht ei nen Max ima lwert. das Nenn moment. und fällt schließl ich wieder ab,
bis der Motor sei ne Maxi maldrehzahl er reicht. Entweder weil er nicht mehr genügend Luft
erhält oder weil der massebehaftete Ventiltrieb fun ktionsstörende Schwi ngu ngen vollführt.
2 Getriebeplan und Zugkraftdiagramm
K
lA" ....
01'----:--i ------;. ---- -,, -- -±--L .t _
o
Bil d K- 9 Allgemeines Ken nfeld eines Verbrennungsmotors .
n min
minimale Moto rdrehzah l minimum engine sceea
nmax
max imale Mot or drehzahl maximum engine speed
nn
Nenndrehzahl - Drehzahl bei Nennleistung PM.n reteä speed
MM
Motord rehmoment an d er Volllast wor engine torque
M M, ma x ma ximales Motoro-enrncme nt (Nennmoment) rated torque
MM.8 Motorbremsmoment engine braking forque
PM
Motorleistu ng engine power
PM,n
Nennleistung (maximale Motorleislung) ma ximum power
Die Leistungsku rve ergibt sich daraus durch Multiplikation aller Momentenwerte mit ihren
Drehza hlen ( P ist direkt proport ional /11 und 11 ). Im Schiebebet rieb (FahrpedalsteIlung () %)
gibt der Motor kein Moment ab. so nde rn muss a ngetri ebe n werden. d. h. das Motorm oment
wird negativ. Dieser Bremsmomentenverlauf steigt linear über der Motordrehzahl an.
Zugkraft an de n Rädern Fw•x.,, ' Die vom Motor zur Verfligung gestellte Zugkraft an den
Antriebsrädern ergibt sich dur ch das Motormoment gewandeltdurch die Gesamtübersetzun g
im betrachteten Gang und abgcmindcrt durch de n Wirkun gsgrad des Antriebsstrangs :
FW•X•A•n
FW•X•A•n
PM
iHM
"v
"uyn
'I
3.6·PM (n M)
MM(IlM)·i1
.
n
==
'I ==
'1
]000 ' "v
"dyn
Zugkraft an den Rädern im Gang 11 [N]
Motorleist ung bei Drehzahl 11M [kw ]
Motormoment bei Drehzahl 11M [Nm]
Fahrgesc hwindig keit [km /h ]
Gesamtübersetzu ng im Gang 11 l-I . Abschnitt 3
dy nam ische r Reife nradiu s [m]. Tabelle K-4
Gesamtwirkungsgrad des Antriebst ra ngs l-l -siehe Kap. M
14 97
K Getriebeauslegung
ZU2kraftdia~ramm troc tion force diagramme. Der fahrbare Bere ich eines Fahrze ugs ka nn
in einem Zugkraftdiagra mm dargestellt werde n. Bild K-IO. Dabei wird über der Fahrge-
schwindigkeit IV die Zugkraft F V.X
.
A an den Ant riebsrädern aufget ragen. Die G renzen des
fah rbaren Bereichs (schraffiert dargestellt) geben die maximale Motorleistung P M •max' dar-
gestel lt durch die Zugkrafthyperbel. und die Haft ung der Reifen (Kraf'tschlussgrcnzc gege-
ben durch F W,X.max) vor. Die Höchstgeschwindigkeit ergibt sich durch das Gleichgewicht
zwisc hen ma ximaler Zugkraft und Fahrwiderständen (Bild K-II ). Die ideale Zugkraft hyper-
bcl ergibt sich direkt aus der Höchstleistung des Motors:
3,6' PM max
F
.
v.x.u = I flO()· IV
F V•X .id
P M•max
vv
idea le Zugk ra ft (N]
ma xima le Motorleistung lt wl
Fah rgeschwindigkeit [k m/ h]
Die effekt ive Zugk rafthype rbel folgt daraus mit Berücksic htigu ng de s Wirkungsg rades des
Antriebstrangs:
Fv.x.c = Fv.X.id
.'/
Fv.X .c
n
effe ktive Z ugkraft (N]
Wirkungsgrad des A ntriebstra ngs l -l
KraftSChlussgrenze F. x. .u. . .
ideale Zu krafth erbe l F
Geschwindigkeit vy
effektive zugkrafthype rbel Fv • •
o -I'--L.-"~
"--L
_
o
Zugkraftangebot des Moto rs F•.•
Bild K· 10 Zugkraftdiagramm eines Fahrzeu gs ohne Schaltpetriebe .
Die ide ale Zu gkraft eines Fahrzeugs erg ibt sich aus de r ma xima len Mo to rleistung und de r Fahrgesch win-
digkeit. Die effektive Zug kraft fo lgt dara us mit Berücks ichtigung des Wirk ungsgrades des Antrie bsst rangs.
Die Zugkraft des Motors deckt nu r einen klein en Be reich des schraff ierten Kennfe ldes ab.
Hau ptfunktton eines Ge triebes. Damit das vom Motor freigesetzte Drehmoment an den
Rädern über eine n großen Gesch windigkeitsbereich und bis zu den möglichen Grenze n des
fahrbaren Bereichs genutzt werden kann . muss ein Element im Antri ebsst ra ng den tatsäch-
liche n Kra ftve rla uf de s Motors an die effe kti ve Zugkrafthyperbc1 anpassen. Dieses Element
ist ein Getriebe mit veränderbarer Übersetzu ng. also ein Scha lt- ode r Automat ikgetriebe.
IJild K-I I ze igt die Wirkung eines Vierganggetr iebes . De r Zugkra ft verla uf des Moto rs wird
durch die Übersetzu ng ei nes bestimmten Gangs skalicrt. Der Verlauf ta ngiert die Zugkraft-
498 1
2 Getriebeplan und Zugkra ftd iag ramm
K
v~," ' .' Ooo..U oc.
GeSChwindigke it v~
zugkraftangebot
i m 4. Gang ...f•.LA.. ~ _
Zugk raftbeda r f
: Fah rwiderstan ds l inie F
Anfahrberei ch
4 . Gang\ ••••••
... ..
..... ........ .
..
... . ... .... ...... ... .... ... ......
o -I"''''''= '--- -
-
-
-
-
-
-
-
-
---;...-
----to-
o
.
.zh--,- -,:>;'
~
~
~~
g
N
Bild K- 11 Z ug kraftd iag ramm eines Fahrzeugs mit Vierganggetriebe.
Neben dem du rch das Getriebe skalierten Zug kraft verlauf d es Mo to r s ist auch die theoretische Höchst-
geschwindigkeit vV.ma'.Ih oorat 'sch des Fahrzeugs einget ragen, die m it dieser Überset zung des 4. Gangs
nich t erreicht werden kan n. Die einget ragene Fahrw ide rstandsl inie gilt fü r horiz onta le Fahrbahn. a lso keine
Steigu ng.
hypcrbcl im Punkt de r ma xima len Motorleistu ng. Man e rke nnt. dass de r mögliche Fahr-
bereic h (schraffie rt darge stellt) durc h das Schaltgetriebe nicht vollstä ndig abgede ckt wird .
Zum einen mus s de r Bereich vom Still sta nd bis zu der Ges chwindigkeit e ntspre chend der
Motormi ndcstdrchzahl (Anfahrbereich) durch ein Anfahrelement (z. 8. Reibungskupplung)
nutzbar ge macht werden . Zum a ndere n bleiben zwi sche n de r Zugkra ft hyperbel und dem
Zugkr aftangebot des Motors dreieckförm ige Bereiche. die nicht nut zba r sind. Die Bereiche
werden mit zunehmender Gangzahl des Get riebes kleiner . Theoretisch liefert also ein
Getr iebe mit st ufen loser Über set zungsänder ung (z . 8. CV T-Get riebe ) die höchs t mög liche
Beschleunigung eines Fahrzeugs mit gegebenem Motor.
Die Fahr widerstandslinien werden für unbcschlcunigtc Fahrt. d. h. Fa= 0 m/s2• und nach
meh rere n Steigu nge n gestu ft im Zugk ra ftdiagramm einget ragen .
Fahrleistunge n m eldperformance. Aus dem Zugkraftdiagra mm können neben de r Höchst-
geschwind igkeit a uch weitere Fahrleistunge n eine s Fahrzeugs ent nommen werde n. Dafür
muss z unächst a us de m Vergleich der vorha ndenen Motorzu gkra ft mit den zu überwin-
denden Fahrw iderst änden de r Z ugkraftübersch uss (t'x ee ss traction force s ermi ttelt werden
und daraus folgen dann die mögliche Beschleunigung und die Steigfähigkeit. Bild K-12 .
Der Zugkraft übcrschu ss . de r für die Beschleu nigu ng des Fahrzeug s aufge wandt werden
kann, ist die Diffc rcnz z w ische n der erforderlichen Zugkra ft - der Fahrwiderst and - und der
vorhandenen Zugkraft - de r Motorzugkraft:
Fy.x.cx = FW,X.A
-
Fdr
F V.X ,c\
FW•X.A
Fdc
Zugk raftübe rsc huss [N]
Zugkraft an den Antrieb sräde rn (N]
Sum me der Fahrwiderstä nde IN], siehe
Abschnitt I
1499
K Getriebeau slegung
250
200
150
v y [km/h]
100
Geschwi ndigkei t
50
• __••
T__
·.
-
.-
-
-
•• - -1.-.---.-.--- ..1
..-.----.-.--.
...-..---.--.I
......_..
_
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q=~% 1._-
-1
!
~~~
7000
6000
z
..
5000
,;'
...
400 0
~
•
;; 3000
0,
N 2000
10 00
0
0
Bild K· 12 Fah rl eist ung en im Z ugkra fld iagramm .
Neben den Ant riebskräften FWX A sind zwei Fahrwid erstandslinien für die Ebene (q - 0 %) und für Stel-
gungen von 10 u nd 20 % eingezeich net. Die Höchstgeschwind igkeit in de r Ebene vV.ma x w ird im 5. Ga ng
erreicht. Für den 3. Gang ist der Zuqkrattübersct-uss in der Ebene Fv.x,,,,x bei 60 km/h eingetra -gen . Die
Steigfähigkeit im 3. Gang bei MM,max bet rägt 23 %.
Aus d ieser allge me ingült igen Gleichung lassen sich noch beso ndere Fälle ableite n, Zum
eine n das Ste igver mögen des Wage ns bei unbcschlcunigtcr Fahr t. a lso f~ :00. Dieses ist
err eicht, wenn der Zugkraft übcrschuss gle ich de m Steig ung swiderst and wird:
FV.X .l' x :0 FW.X. A
-
FR - F(J, - Fi . = Fq Fq Steigungswiderstand [N], s. Abschnitt I
Daraus folgt un mitt elba r d ie größ te befa hrbare Steig ung:
o :0 arcsin Fv.x .cx
//Iv.• 'g
a
Steigungswi nkel [0]. die Neigung q in % ist: q = \00 tan a
mV. l Gesa mt masse des Fahrze ugs [kg]
Zum andere n ergibt s ich a us de r Gleic hung für de n Zugk ra ft übersc huss das Beschle uni-
gungsvermögen in der Ebene, also Fq = 0:
Fv.x.cx = FW.X
.
A-FR
-
Fa - h = Fa Fa Beschleunigungsw idcrstand [N]. siehe
Absch nitt 1
Daraus lässt sich die mögliche Beschleunigung (Ix für die bet rachtete Geschwindigkeit
err ec hne n:
"x
Fv,x.cx
(Ix =
mvr : km.n
Längsbesc hleunig ung für di e Geschwi nd igke it. bei de r
der Zug kraft übersc huss F Y.X.cx im G ang n vorhande n ist
[m/s2]
IIl Y,1 Gesamtgewicht des Fahrzeugs [kgJ
km.n Drchmasscnz uschlagfakror im Ga ng n [-I , s. Absc h nitt I
500 I
3 Antriebsstrang Übersicht
K
3 Antriebsstrang Übersicht Drivetrain overview
Die Wandlung des Motormoments MM zum Antriebsmoment MA an der Antr iebsachse
erfolgt über den Antriebsst rang. Mit dem Getriebe ka nn die Gesamt übersetz ung dem Bedarf
angepasst werde n. Die Gesa mtübersetz ung (tota l rouo v vom Motor bis zu den Antr iebsrä-
dern folgt z u. Bild K·I3:
Gesamt übersetz ung [- ]
Übe rsetz ung des Achsantrie bs [- ]
Übersetz ung des A nfah relements l- l
Übersetz ung des Getr iebes [- ]
Ist das Anfahrele ment eine Reibungskupplu ng. ist ie! = I. Hydrodynamische Dreh moment-
wandlcr. d ie das Standa rd-A nfahr eleme nt bei Autom atikget rieben dars tellen. weisen eine
Übersetzun g iel ~ I auf.
Aus der Gesamtübersetz ung i( folgen die Verhältnisse der Momente und Drehzahlen:
MA A ntr iebs mome nt an den Rädern [Nm]
MM Motormoment [Nm]
nM
Motordrehzahl [min'']
nw
Raddrehzahl [min- t]
~ Enda nt r 1e b r=~~r=~=')
Get r iebe
/
-1H~fI, t
H~
I
j
I
Verb rennungs ~oto r
10000~
0000
i,
I
i,
Bild K- 13 Übersetzungen im Antr iebsstrang .
Das Motormoment M ", w ird du rch den Antr iebsstrang auf das Antriebsmoment MA übersetzt.
K Getriebeausleg ung
4 ..Ubersetzungen Gear rat '
D,c Motor!
lOS
crstu ng ka
nutzbare Dr h
nn also nicht I
rcich d
c zahlband UC,
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u CS Fahrzeugs
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'G'
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kl.
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"
lowestgear rano l-l
Bild K-14
G.etriebesp reizun
Die fahr bare 0 g.
Motors wird drehzahlspanne des
,
urch da
au den Fahrb ' s Getriebe
,,09
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te Bereich ist d . er schraffier-
hende nutzba r er daraus enrste-
Fahrzeug.
e Bereich für das
Bild K-15
Anhalts we rte f
nach [K01J. u r Getnebesprezunqen .
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24
'
6810
Get riebespre" 12 14 16 18
r zunq l' a.e
~kw > :16 t ~;;..~..........~..........r ..........
i @/@W M //A ' :0'/0WI'W0//0'4
i 1Z;;:;:;Wffi77
lkw<;16t'
:
'
m
v/%! Bu s
,
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i
.~PKW'
"
Fernve r keh r
:
~: ~ Dieselmotor " '
,
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:PKW: 'Ott '
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" ~ransport. :
~',
omot or '
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l'7 "'7 "?T'I
" AutomaÜk !
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'
.
tZ::23 R '
:I tadtverkehr ;
;
:
Imnfahrzeu lI' R
'
:: Automatik!
undstreck
'
:
,
.,
o
4 Übers etzung en
Fahrzeuge mit einer geringen spezifischen Motorleistun g und solehe mit Motoren mit
schmalem nutzbaren Drehzah lband brauchen eine größere Getr iebespreizu ng. Zum Ver-
gleich ze igt Bild K· 15 ein ige An haltswerte unterschiedlicher Fahrzeuge.
Wah l der größten Übersetzung it •rnar Die Fcstlegung der größten Übersetz ung hängt in
erster Linie vom Leistu ngsgewicht [kglkW] ab. Je nach Fahrze ug legt eine der folgenden
Forderunge n die Ausleg ung fest :
a) größte befahrbare Steigu ng mit Beschleunig ung U x =" 0 m/s2.
b] größtes Beschle unigungsvermögen aufhorizontalcr Fahrbahn.
Größte Srefgu ng. Steht die Forde ru ng nach de m g rößtem Steig ver mögen im Vordergru nd .
bei Pkw meist 50 % (Rampen. Auffahrten). so erre chnet sich die größte Übersetzung aus:
rdyn//Iv.!g(kRcosa +sina)
mV.1
Gesamtgewicht des Fahrzeugs [kg]
il,1l1ax =
MM.max . '7
kR
Rollwid e rstand szah l [-I
ü
Ste igungs winkel der Fahrba hn [0]
i 1•max
größte Gesamtübersetz ung l-l
.\fM. m n
größtes Motordrehmoment [Nm]
rdyn
dyna mische r Reifenrad ius [m]
IJ
Gesamtw irkungsg rad des
Antriebsstrangs [-I
Tab elle K-4 gibt für einige gängige Reifendimensionen de n dyna mischen Reife nradius an.
Ta b. K ·4 Dynamischer Radha lbmess er einiger Reifengrö ßen.
Dimen si on
Abrollumf ang [mI
' dyn (m]
165170 R13
1,730
0,275
185/60 R14
1,765
0,28 1
195/65 R15
1,935
0,308
205/60 R15
1,910
0,30 4
Größte Beschleunigu ng. Die grö ßte Beschleu nigung auf horizonta ler Fahrbahn errechnet
sich zu:
K
Fv.x .cx
Ux.1l1ax =
//IV,\ •km."
(Jx ,max
größte Längs beschle unig ung [m/s2}
Überschuss zugkraft [ N]
Drch masscn z uschlagfakt or des Gangs n [-I
Für eine bestim mte Beschleunigu ng bei gegebener Fahrzeugmasse ist also eine bestimmte
Übersc husszu gkraft erfo rde rlich. Diese kan n dem Zug kraftdi agra mm des Fahrzeu gs e nt-
nommen werden. Die erreichbare Zugkraft bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit hängt von
der Übe rset z ung u nd dem Volllast-Motormo mente nve rlauf ab. Die errechnete Beschleuni-
gung kann auch direkt über de r Geschwindigkeit aufgetragen werden und man erhält ein
Diagramm wie in Bild K-16.
1503
K Getriebeausleg ung
~ 4,8
~o
i:3,2
~
•o
•
:; 1,6
Bild K·16
Gangabhängiges Besch leunigungsvermögen.
Bei diesem Diag ramm wurde der Einfluss des ae-
rodynamischen Abt riebs auf d ie Besc hleunigung
n icht berucksichtiq. Mit kleiner werdender Über-
setzung nehme n der Zug kraftüberschuss und oe-
mit die max imale Beschleunigung ab bis diese bei
Erreichen der Höchs tges chw ind igkeit gleich Null
w ird.
Bei Rennfahrzeugen. die auf Rundstrecken oder einem feststehenden Kurs eingesetzt
werden, dienen folgende Betrachtu ngen zur Festlegurig der größten Übersetzung. Ist das
Fahrzeug stark übermotorisiert. also stellt die Kraftschlussgrenze der Reifen das Limit
dar, wählt man eine möglichst kleine Übersetz ung. so dass die Haftgrenze der Reifen in
der langsamsten Kurve des Kurses nicht überschritten wird , ß ild K-17. Eine klein e g rößte
Übersetz ung il .max hat den Vorteil, dass sich bei gegebener Gangzahl kleinere Stufcnsprüu-
ge bis zur kleinsten Übersetzung ergeben und damit ein besseres Anschmiegen an die Zug-
krafthyp erbcl möglich ist. Die Drehzahl des Motors soll an de r langsams ten Stelle so liegen.
dass der Motor ruckfrei Gas annimmt. wenn der Fahre r wieder beschleun igt. Ideale rweise
liegt die Drehzah l am Kurvenausgang genau bei der Drehzahl des größten Drehmoments.
Dann kann der Fahrer nämlich mit der maximalen Beschleunigung die Kur ve verlassen.
"
3,6
30 n M.co
.
,. dyn
=
"v.co
\'V.co
größte Übersetzung für Kur venfahrt [- ]
Fahrzeuggeschwindigkeit in der bet rachte-
ten Kurve [km/h]
gewü nschte Motordrehzahl bei der
Geschwindig keit "v.co [min- I]
dynamischer Reife nradius (m]
Bild K-17
Wahl der größten Übersetzu ng für d ie
engste Ku rve eines Ku rses.
Die kleinste Fahrzeuggeschwind igkeit vvcc
tritt in der langsamste n Kurve auf. Dabei
liegt das Motormoment vor seinem Max i-
mum , Beim veressen der Kurve erreicht
das Fahrzeug arn Kurvenausgang eine
Geschw indigkeit, die der Moto rdrehzahl
bei ma ximalem Mom ent entsp richt. Die
Zug kraft liegt unter der Kraftschlussgr enze
und somit kann das Fahrzeug ma ximal be -
sch leunigen.
Kraftschl us s r enZ6/
~-
V' ,oo v. ,••,
...
Geschwindigkeit v.
50 41
4 Übers etzung en
Stelle n die Reifen nicht das begrenzende Glied im Ant riebsstrang dar, wählt man die größte
Übersetzu ng so, dass kurvenausgangs das maximale Motormoment zur Verfügung steht.
Wahlder klclnsten Übersetzung i, ",in' Die kleinste Übersetzung ergibt sich direkt aus der
gewünschten Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Vernachlässigt man den Reifenschlupf
und setzt die ma ximale Motordrehza hl für das Erreichen der theoretischen Maximalge-
schwi nd igkeit an so folgt:
K
l 'v.max
"
3, o 30nM .max "dyn
il .min =
nM .max
I'dyn
I 'V.max
kleinste Gesamtübersetz ung [- ]
maximale Motordrehzahl [min -I]
dynami sehe r Reifen radi us lml
Höchstgesc hwindigkeit [km/h ]
v,v
,.,, """
Die Höchstdrehzahl eines Motors hängt unter anderem vom Verbrennungsverfahren und
von der Wirkung eines vorgeschrie benen Luftmcngcnbcgrc nzc rs ab. Ott omotoren weisen
eine wesentlich höhere Enddrehza hl (bis zu 20000 min- I) auf als Dieselmot oren, die aus
Gründen der Ge mischbildung etwa nur 6000 min- I erreichen können.
Für die endgültige Festlegung der kleinste n Übersetzung werde n noch weitere Gesichts-
punkte hera ngezogen. Bei Pkw stehen de r Kraftstoffverbrauch und die Lebensda uer des
höchsten Gangs im Vordergr und. Schließlich kann der Laufze itanteil der höchsten Octr ic-
bcstufc bis z u SO % betragen. Bei Rennfahrzeugen wiederum wird eine hohe Überschuss.
lcistu ng bevorzugt. Für den Kraftstoffve rbrauch ist das Niveau der Motordreh zahl cnts chci-
dcnd, ein große r Zugkraftüberschuss ermöglicht bet rächtliche Beschleunigungen. Folgende
untersc h iedliche Auslegu ngsprinz ipien sind daher üblich :
Auslegung auf maximale Höchstgeschwindigkeit,
überdrehende Aus legung,
unte rd rehe nde Ausleg ung.
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o
Gesch windi gk eit v.
Bild K-18 Getriebeauslegungen im Zugkra ftd iagramm .
Die theoret ische Höchstgeschwind igkeit vY,max ,lheoret isch wird n ur dann err eicht. wenn d ie Höchstge -
schwindigkeit genau bei der Moto rdreh zahl mit der größten Motorleistung er reicht wird. Bei übe rdre -
hender Auslegung w ird d ie ma ximale Motor leistu ng be i eine r geringeren Geschw indigkeit erreicht. Die
Höchstgeschwindigkeit vY.max ergibt sic h im Glei chgew icht von M ot orl eistu ng u nd Fah rw id erstand bei
eine r höhe ren Moto rdrehzah l u nd li egt unte r der theoret isch mögliche n .
1505
K Getriebeau slegung
Auslegung auf max tmat e Höchstgeschwt nd ta kett. Soll die maximale Motorleistung
genutzt werden um die größtmögliche Endgeschwindigkeit zu erreichen. muss diese gcnau
bei der Motordrehz ahl erreicht werden, bei der die Nennleistung ansteht. Im Zugk raftdia-
gramm bedeutet das. die Fahrwiderstandslinie wird von der Motorzugkraftkurve im Punkt
de r maximalen Motorleistung (=0 Tangente an die Zugkrafthypcrbclj gesch nitten.
Überdrehende Auslegung. Diese Auslegu ng wird gerne für sportliche Fahrze uge heran-
gezoge n. Dabei wird die Höchstgeschw indigkeit bei einer Drehzah l erreicht. die über de r
Nenndrehzahlliegt. Die beanspruchte Leistung des Motors ist daher geringer als die Maxi-
mallcistung und folglich liegt die erziehe Geschwindigkeit unter der theoretisch möglichen.
Der Vor teil dieser Ausleg ung liegt im g roßen Zugk raftü berschuss F V•X
•
Ex vor Erreichen
der Höchstgeschwindigkeit. Das Beschleunigungsvermögen ist somit auch nahe der End-
gesc hwindigkeit hoch .
Im Vergleich zur Aus legung auf maximale Höchstgeschwind igkeit liegt die Gesa mtübe r-
setzun g i l höher. Erreicht wird das du rch eine größere Get riebeübersetzun g oder eine größere
Übersetzung des Achsantriebs.
F Y.X.Ex. "o.....c.n.""
""'"
Fahrw ider sta nd
\."
auf Y."
11,
ul\tardrah.~~~••,•••4. ' '' '' '· ·
.... .. ... .. ..
,
,
,
,
,
,
,
,
,
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FY,X ,Ex,aufnU
Ubar dr ehel\d >'
--
I
_
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--1
I<
VY.... ,'hooc• •1oeh
VY," ', uW'4'.~eOd
Vy'''', un' . r4 ..t>en<l
Fahr zeuggeschwi ndigkei t vy
Bild K·19 Vergleich verschiede ner AuslegungsarIen.
Die größte Endgesc hw indig keit vV,ma •.thoore t>sch er reich t d ie Auslegung. be i der die Fah rw id er stand slin ie
vom Moto rzug kraftve rla uf im Pun kt der größten Motorleistung g eschn itt en wird. Wi rd die grö ßte Moto r-
leistu ng bei geringere r Geschwindigkeit erreich t, ist de r Zu g kra ftüberschuss Fy.x,f> g roß u nd die Endge-
sch wind igkeit niedriger als d as theore tische Ma ximum (überd rehende A uslegung) , Erreicht das Fahrze ug
d ie Endgesch w ind igkeit vor der ma xima len Mo tor leist ung . so ist dabei das Drehzahlniveau des Motors
nied riger und damit in einem verbrauchsg ünst igen Be reich .
Unt erd rehende Auslegung.Steht der Kraftstoffverbrauch im Vordergr und. muss die Motor-
drehzah l bei hohen Lasten gesenkt werden. Die Übersetzung wird dabei so gewäh lt. dass
die Höchstgeschwind igkeit bei einer Motordr ehza hl unter halb der Nennd rehzahl er reicht
wird. Das bedeutet. d as Fahrzeug kan n nicht weiter beschleunigen. obwohl der Motor seine
Höchstleist ung noch ga r nicht erreicht hat. Der Zugk raft überschuss ist ge ring. abe r ebenso
4 Übers etzung en
der Kraftstoffverbra uch. weil der Moto r sieh in ei nem verbrauchsgünstigeren Bereich des
Motor ke nnfeld s befindet.
Eine unterdrehende Auslegung ergibt sieh durch eine ge ringere Ges amt übersetz ung als
bei der Auslegu ng aufgrößte Höch stgeschwindigkeit.
Achsübersetz u ng final drive ratio ;D. Die in einer Stufe zu realisierende Endübersetzu ng
liegt im Bereich 2 S; i n S; 7. Wird eine g rößere Übersetz ung geb raucht. wird ei ne weitere
Übersetz ungsst ufe vorgesehe n.
Wah l der Z wtsc hc ng ä ngc choice ofintermediute g eu r.v . Liege n g rößte u nd klei nste Übe r-
setzung fest, we rde n die Abstu fungen dazwischen festgelegt. Die Abst ufung soll so festge-
legt we rde n. dass beim Zurückschalten bei Erreichen des maxim alen Moto rd rehmo ments
die Höchstdrehzahl des Motors im nächst nied rigeren Gang nicht überschritten wird, Bild
K -20.
Will man die g rößte Beschle unigung erreichen, ist es wichtig, dass die Fläche u nter der
Motorzugkraftkurve möglic hst groß ist IK06 ]. Der Schaltpunkt liegt da nn etwas über de r
Nenndrehzah l (Drehza hl der Maximallcistu ng), Hild K-21 .
K
n
0+1
p~.n
~.._be i---.!'~•• iU
GeSChwindi gkei t vy
Bild K·20
Schaltvorgan g im Zugkraftdiagramm.
Das Hochschalten vom Gang n zu n + 1 erfolg t
idealerweise in dem Punk t der höchs ten M ot o rleis -
tung (Nenn leistung) P M.n
' ImnächstenGangn+1
ent spr icht die Fahrzeuggeschwindigkei t der Mo-
tord rehzahl mit dem größten Drehmoment M"'.ma .'
Das Z urückschalten erfo lgt genau umgekehrt von
der Drehzahl des größten Moments. Dabei da rf die
Höchstd rehzahl n"'.ma . im Gang n nicht überschrit-
ten we rden.
<
~ :.'"
>{
>
u,
~
~
P... n
.!
•
"
~
~
0,
N
:%
•
Geschwindigk eit vy
Bild K-21
Schaltvorgang für große Besch leunigung .
Für g roße Beschle un igung w ird in j ed em Gang
über der Nennd rehzahl geschalte t (durchgehende
Lin ie). Z um Vergle ich ist der Schalt punkt bei Nenn-
drehzahl eingetragen (punktierte Lin ie). In diesem
Fall ist die Fläche unte r der Zugkraft kurve des Mo-
tors wesentlich kleiner .
Je steiler die Momentenk ur ve eines Motors verläu ft und je schmaler sein nutzbares Dreh-
za hlban d ist, desto wichtiger wird die Getriebeabst ufu ng. Je meh r Gä nge ein Getriebe auf-
weist . desto besser lässt sich die Motorz ugkraft an die Zug krafthyp erbel anpassen. Alle r-
dings nimmt der Bauaufwand und die Masse eines Getriebes mit steigender Gangzahl zu.
Kle ine Getr iebeabst ufu ngen führen a uch daz u. dass öfter gescha ltet we rde n muss. was auc h
1507
K Getriebeausleg ung
mit einem gewissen Zeitaufwand verbunden ist. Beim Schalten mit Zugkraftunterbrechung
nimm t die Fahrzeuggeschwi ndigkeit während des Schaltvo rgangs ab, näheres sieh e Kapitel
M Antriebstrang.
Das Verhältn is der Übersetzungen zwcicr benachbart er Gänge ist der Stufensprung.
'('
</> ~-'-'"-
iO•011
Stufensprung l-l
Get riebeübersetzung des Gangs n bzw. n + 1
In der Praxis werden folgende Methode n zur Berechn ung der Stufensprünge herangezogen:
geo me t rische Ga ngab st u fung geo metrie gear stepping.
p rog ressi ve Ga ng abs tu f u ng progressive ge ll,. stepping.
Abstimmung au f einen bestimmte n Rund kur s gea ring for a certain course.
Dild K-22 liefert einen verg leichende n Übe rblick übe r bcidc Ausleg ungsa rte n. Bei der geo -
metrischen Abstufung ist der Stufensprung immer gleich. Die Annäherung de r Motorzug-
kraft an die effektive Zugkrafthyperbel ist dad urch bei allen Gängen etwa gleich groß.
allerdings mit der Folge, dass die Differenzen de r Höchstgeschwindigkeiten der ei nzelne n
Gänge nach oben hin immer größer werden. Beim Schalten fallt die Motordrehzahl immer
auf dasselbe Niveau zurück.
lm Gegensatz zur geometrischen Abst ufung wird bei progre ssiver Abstufung der Stufen-
sprung mit steigender Gangnummer immer kleiner. Die Geschwindigkeitsdifferenzen bei
Motorhöchstdrehzahl bleiben dad urch in etwa konstant und die nicht abgedeckten Bereiche
(schraffiert dargestellt) im Zugkraftdi ag ram m werden bei höheren Gä ngen immer kleiner.
Dadurch ist das Beschleunigungsvermögen in diesem Geschwindigkeitsbereich besse r. In
den unteren Gängen ist der Zugkraftübcrschuss ohnedies so groß, dass größere Lücken
kaum ins Gewicht falle n. Beim Sch alten wird der Drehzahlabfall bei höheren Gängen
imme r klei ner, was das Schalten bei höhere n Geschwindigkeiten erleichtert.
Bei Rennfah rzeugen wird die Abstufung vortei lhaft progressiv vorgenomme n. Bild
K-B zeigt beispielhaft den Getriebeplan (Sägezah ndi ag ramm) eines Formel-Wagens. Der
Geschwindigkeitsve rlaufist linear überder Motordrehzahl aufgetragen, d . h . es wird kein
Schlupf und kein Reifen wachst um berücksic htigt.
Die einzel nen Übersetzun gen errechnen sich au s der kleinsten Übersetzung u nd aus dem
Stufensprung.
Geometrische Abst ufung. Beigeomet rischer Abstu fung ist der Stufensprung imme r gleich
und errechnet sich zu:
Wg.com Stufensprung bei geometr ischer Abst ufu ng l-l
j
Anzahl derGänge[-I
i G.l
Getriebespreizu ng l-l
Damit ergeben sich die Übersetz ungen der einzelnen Gänge n = 1bis):
.
.
,." O-n)
'O.n = 'GJ . .....scom
i(i,n
iOj =
iO.min
Übersetzu ng des Ga ngs n [-]
Übersetzun g des höchsten Ga ngs = kleinste
Übersetzung H
50s1
4 Übersetzungen
K
_ _ .....;.4 ._ ..•._
..,
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...,
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a)
5.:
50 100 150 200 250
Geschwindigkeit v. (km/h j
50 100 150 200 250
Geschwindigkeit v. (km /hj
0
0
•
•
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07
e6
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•
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0
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•0
0
•
b)
,.
50 100 150 200 250
Geschwindigkeit v. [km /h )
50 100 150 200 250
Geschwindigkeit v, ( km/h j
Bil d K-22 Vergleich der Aus legungsa rten.
Ob en: Z ugkr aftdiagramm, unten : Geschwi ndigkei ts-Drehzahldiagramm (Getriebep lan).
a) geom etrische A uslegung. b) progress ive Auslegung
50
100
150
Geschwindigkeit v.
10
37/14
2,64
200
250
[km/h)
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I
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35/18 28/ 18 27/21 n /20 28121
',H 1,55 1.28
1, 10
e.ee
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1447 1254
10 13
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128,51 160,91 194,e6 226,74 259,61
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1•'
~ 4000
•N
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~ 2000
"o
•
~
Bil d K-23 Getriebeplan eines Formel-Renau lt-Wagens .
Geschaltet wird bei der Höchstdrehzahl von 7200 mm-'. Der Drehzahlabfall M M wir d m it zunehmende r
Gangn umme r nied riger, es hande lt sich also um eine prog ressive Abstufung. Zusät zlich ist noch die Über -
setzung 'o jed es Gangs als Zähnezahl verhältni s und als rationale Zahl ang eführ t. Die Achsübersetz ung
beträgt io - 3.1. Für dieses Fahrzeug gibt es noch zwei weite re Abs tufungen. Das Diagramm zeigt d ie
kleinsten Db ersetzu nq en also die größten Encqescnwmrnq keiten.
I s09
K Getriebeausleg ung
Geometrische Abstufungen werde n im Allgem einen gewählt. wenn alleGänge cincs Gctric-
bcs im Fahrbetrieb gleichwertig sind.
Progresstee Abstufung. Die Stufenspr ünge zwischen den einzel nen Gängen nehm en stetig
ab. Zunächst wird also ein Progressionsfaktor gewählt. der die Veränder ung des Stufen-
sprungs bestimmt: k<t> Progressionsfaktor I-I. übliche Werte liegen zwischen 1,0 und 1,2.
Aus der Get riebesp reizung errechnet sich der erste Stufensprung zu:
j
erster Stufensprung I-I. übliche Werte: 1,1
bis 1,7
Anzahl der Gänge [-J
Getr iebe spreizung l-l
Damit ergehen sich die Übersetzungender einzelnen Gänge n= I bisj:
.
_.
....(j-n) k05(i-n)(i-n-l)
l(i. n
-
'G,j."'[
.
F
ia."
iG,j =
ia,min
Übersetzung des Gangs n, -
Übersetzung des höchsten Gangs = kleinste
Übersetzung [-]
Die tatsächlichen Übersetzungen werden natürlich so gewählt. da ss sie einem ganzzahligcn
Zähnezahl verhältnis entsp reche n. Dadurch können auch bei geo metrischerAbstufu ng leicht
unterschiedliche Stufenspr ünge zwischen den Gängen entstehen.
Ahstufung auf einen Rundkurs . Bei einem bekannten Rundkurs sind die Geschwin-
digkeiten in den Kurven und arn Ende von langen Geraden bekannt. Die Übersetzunge n
werden so gewählt, da ss die größte Beschleunigung beim Verlassen einer Kurve erreicht
werden kann , also die Geschwindigkeit arn Kurvena usgang mit der Drehzahl des größten
Motormoment s zusammenfällt. Bei langen Ge raden wi rd man die Übersetzung des cntsprc-
ehenden Gangs so wählen. dass die Höchstgeschwindigkeit gerade am Ende dieses Stre-
ckenabschnitts erreicht wird. Wäre die Übersetzu ng zu groß, wü rde der Fahrer knapp vor
der nächsten Kurve noch einmal hochschalten müssen und da nach bremsen.
Übersetzungen und ihre ,\ nderungen heiStufenlosgen-leben. Wieder Name schon sagt.
werden bei diesen Getriebe n keine festen Ga ngabstufungen eingestellt. sondern die Über-
setz ung kann in einem bestimmten Bereich beliebig variiert werden. Die Getri ebespreizung
von Stufenlosget rieben. die bei de r Getriebeba uart auch Regelbereich genannt wi rd. liegt
bei i G.t
= 5bis6.
Im Gru nde können bei Stufe nlosget rieben Drehmo ment und Dreh zahl des Motors belie-
big eingestellt werden. solange der entsprechende Betriebspunkt im fahrba ren Bereich des
Motorken nfelds liegt. Bild K-24 . Will man ein Stufenlosget riebe zu m Erzielen hoher Fahr-
leistungen einsetzen. so muss die Regc1kennlinie im möglichst großen Abstand zur Voll-
lastm omentenk urve verlaufen. Dan n ist nä mlich ein großer Zugk raftübersch uss ga rantiert.
Was beim Stufeng etr iebe das Schalten ist. ist beim Stufenlosget riebe die Verstc1 lgeschwin-
digkeit. Die Verstellgeschwindigkeit ist die Änderung der Motordrehzahl über der Zeit bzw.
die Än der ung de r Übersetz ung über der Zeit bei festgehaltener Abtr iebsdrehzahl. Eine zu
ger inge Verstc1 lgeschwindigkeit füh rt z u lahmen Fahrverhalten. Die Verstell ung soll also
4 Überset zung en
vol lla st kurYe
'00
E
Z
':1 150
~
e
•E
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E 100
s:
•L
U
L
.e 50
o
"
1500 2500
35 00
Motordrehzah l
Bild K-24 Motorkennfeld mit Regelkennl inien eines Surtentosqemebes. nach [K01].
Das Kennfeld wird nach oben du rch d ie Volllastkurve begrenzt. Diese Kurve ma ximalen Moto rmoments
kann nicht überschritten werden. Mit einem Stufenlosgetriebe kann man im Betriebsbereich darunter
beliebige Drehzahl und Lastpunkte anfahren. Eingetragen sind zwei extreme Regelkennlinien.
a R eg elkennlini e für m inimalen Krattstottverbrauch
b Regelkennlinie für große Fahrleistungen
Die Regelung für ger ingen Kraftstoff verb rau ch liegt so. dass die verb rauchsqunstiqen Bereiche durchfah-
ren werden. Die Iahrleistunqsorienfierte Regelung trach tet in jedem Betr iebspunkt nach einem möglichst
großen Zugkraltüberschuss.
möglich st rasch erfolgen. Einer Erhöhung der Verstellgeschwindigkeit sind allerd ings Gr en-
zen gesetzt. Die zur Verstellung erforderliche Energie sta mmt nämlich teilweise von der
kinetischen Energie des Fahrzeugs. Ist diese Energie zu groß, wird die Beschleunigung
kurzzeitig negativ, was sich als "Sc hahrucken" bemerkbar macht.
Der Einsatz von St ufen losgetr iebe n in Renn fah rzeugen ist se he n. Die derzeit effiz ienteste
Baufor m (Vcrstcllsc hcibcn mit Schubglicdcrkct tc] hat ih re Eins alzgr en ze in der Serie bei
300 Nm Eingangsmo ment bei Spreiz ung 6. Mit Leist ungsver zweigu ng in ei nem solchen
Getriebe lässt sich die Drehmomentkapazität auf 550 Nm erhöhen bei Spreizu ng 7 [K07].
K
L
Rennmotoren
Competition engines
Der Motor macht ein Fahrzeug erst zu m AUTOm obiL also fähig zu m selbsttätigen Vor-
wärtskommcn. Darüber hinaus strahlt der Moto r eine große. wen n nicht die größte Faszi-
nation von alle n einzelnen Baugruppen au s und ist Sinnbild für die Leistung. Bei Renn-
fahrzeuge n wird neben sei ner Lei stu ngsfähig keit auch seinem akustischen Auftri tt große
Beac ht ung gesche nk t.
1513
L Rennm otoren
1 Grundlagen Fundam entals
Allgemein wird von Experten der Anteil des Motors an den Fahrleistu ngen VOll Rennfah r-
zeugen nicht hoch. verglichen mit anderen Baugruppe n (Reifen. Fah rwerk), eingesch ätzt
(vgl. Kapitel B 3.2 Konzeptvergleichs . Dennoch ist er nicht unwichtig, schließlich gibt er
der Sporta rt seine n Namen. Ein Motorenentwickler (Luca Ma rmor ini. Technischer Direktor
Motorenabteilung Toyota Moto rsport) fasst diese schei nbar paradoxe Situation so zusammen:
Es ist schwer ein Rennen wegen des Motors zu gewinnen. aber leicht eines wegen des Motors
zu verlieren. Ocr Motor muss standfes t sein und vor allem einen stetigen Leistungsverlauf
über der Dreh zahl aufweisen. Das macht sein Verhalten für den Rennfahr er berechenbar,
der im Gr unde ohnedies nur zwei Stellunge n des Fahrpedals oder Drehgriffs nutzt: Leerlauf
und volllast. d . h . der Motor wird sozusagen digital gefahren. Der Volllastanteil einer Runde
beträgt in der For mel I je nach Strecke zwischen 35 % (Monaco) und 70 % (Monza) [LW}.
Auch bei Langstreck enrennen wird von einem solchen Höchstwert für die Motorentwicklung
ausgegangen, Bild L-1. Mit abnehmendem Hubraum nimmt der Volllastanteil auf der sclbcn
Strecke zu. Bei Bergrennen kann der Volllastanteil aber durchaus unter 15 % liegen.
Volllast
71%
1-2 5% last
6%
Bild t -t
Lastanteile beim 24-Stunden-Rennen von Le
Mans. nach [L28].
Eine typische Aufteilung von Drossejdappenstel-
lungen. Der Volllastanteil übe rwiegt als das eine
Extrem und das andere folgt an zwe iter Stelle.
näm lich der Betrieb mit geschlossener Drossel-
klappe.
Im gru ndsätzlichen Aufbau unter scheiden sich Rennmotoren von Serienmotoren nicht.
Gege nüber Motoren in Alltagsfa hrze ugen sind Renn motoren jedoch g rößeren Längs. und
Querbeschleunigungen ausgesetzt, was -r. B. für das Schmiersystem von Bedeutu ng ist. Die
erwünschte hohe Leistung wird u. a . über eine hohe Dreh zahl erzielt. Das führt z u größc-
ren Massenkräften mit entspreche nd höheren Bauteilb elastungen u nd der Ventiltrieb wird
zum kritischen System. Schaltfehler der Fahrer können ohne elektronische Schutzsysteme
zum Ze rstören des Motors führen [L I8]. Die Lebe nsda uer eines Motors ist im Vergleich zu
Gebra uchsmotore n wesentli ch ge ringe r, d ie freigesetzte Leistung dabe i erheblich höher. Es
werden spezifische Leistungen bis zu500 kW/Liter Hubraum erreicht. Entsprechende Werte
von Serienmotoren liegen fü r aufgeladene Ottomotoren bei 50 bis lOO kW/J.
Für hohe Fah rleistu ngen muss der Renn motor physikalisch betrachtet bei zwei Kenng rö -
ßen möglichst hohe Werte aufweisen . Ein k räftiges Drehmoment ist für g roße Beschleuni -
gungen erforderlich und eine hohe Leistung ist für hohe Endgeschw indigkeiten notwend ig.
1 Grun dlagen
Die Leistu ng ei nes Verbrennu ngsmo tors beschr eibt folge nde Za hle nwertgleichu ng.
L
Für das Drehmoment gilt:
Ion
~_·j· z·p ,'V
h
271:
m.e
z
n"
Pm .c
effe ktive Leist ung lkW)
TaktzahlI-I. i =0 0.5für4-Taktcrundi = 1
für 2-Taktc r
Anzahl de r Zylinder [-]
Drehzahl des Motors [min -I]
effektiver Mitte ldr uck [ba r). Max ima lwerte
für Pm ..: bei Rennmotoren etwa 12 bis 35 bar.
bei Se rienot tomoto ren zw ischen Hund 13 ba r.
bei Pkw-Diesel motore n 7 bis 14 bar
Hubvolume n ei nes Zylinders [I]
Moto rmo me nt {Nm]
(L.1)
Aus de r Betrac ht ung de rG leich ungen folgen unmittelbar die g r undsä tzliche n Möglic hkeiten
zur Hebung von Leist ung u nd Dre hmome nt eines Verbre nnungsmotors:
Taktza h l number ofstrok es. T heoretisch weist ei n Zweit ak tmoto r bei sonst gleic hen Para-
mete rn die do ppelte Leistu ng eines Vierta kters a uf. Prak tisch erreicht er je doch nicht den-
selben Mitteld ruck. Abgese hen davo n stehen sei nem Einsatz oft (Tendenz steige nd) Regle-
men tforderu ngen entgegen.
Anzahl d er Zylind e r cy linde r number. Eine große Zylinde rzahl füh rt bei gegebenem Ein-
zelzylin derhu brau m z u großem Ges amt hubvolu men und da mit zu e nts prechen d mehr Leis-
tung. Einer sehr große n Zylinde rzahl ste hen allerdi ngs Nachteile durch ein entsprechend
geringes Einzelzylind ervolumen bei konstantem Hubra um und durch die große Teilezahl
entgegen. Geri nge Zyli ndc rhubvolu mina ermöglichen aber au ch pri nzipiell höhe re Drc hz ah-
fcn wegen der höhe ren Eigen frequen z des gasdy na misc he n Syste ms Ansa ugroh r-Zylinde r.
Dre hza h l speed. Bei feststehe nde m Hubraum und Mitteldruck bleibt praktisc h nur noch
eine Drehzahlsteige r ung zu r Erhöhung de r abgegebenen Motorleistu ng. Bild L-2 . Formel-l -
Saugmotoren e r reiche n so weit me hr als die doppelte Nenndre hza hl von Serieno ttomotoren.
Die Gre nze n für ei ne Dre hz a hlsteigeru ng gebe n in erster Linie drei Bereic he ei nzeln vor.
d. h. wenn bereits ein Bereich nicht mehr gesteige rt werden ka nn. ist das Drehza hllimit
e rre icht:
Gasdurchsatz.
Verbre nnungsgeschwin digkeit.
Bautei lfes tigkeit .
L Rennm otoren
.." _.._. __..,...._. __ ..,.
8
10
12
14
16
18
Dr ehzahl nw (1000 mi n"l
Bild L-2
Leist ungsvergleich der 3.0 I
Saugmotoren von 1980 u nd
1995 [L02J.
Der Leistu nqszuw achs entstand
nur durch die höhere Drehz ahl.
Der Mitteld ruck und damit das
Drehmome nt blieben pra ktisch
unverändert
E
z
400 -:l
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a: 400
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c
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200
100
•
Gasd u rchs atz mixtureftow. Der Gasdurchsatz durch den Motor stößt mit steigender Dreh-
za hl a n phys ikalisc he Grenzen . weil d ie Ventilöffnu ngsflächen nicht beliebig ve rg rößert
werden kö nnen. Ist das kritische Druckverh äl tnis im Ventilbereich e rre icht. überste igt die
Gasgesc hwind igkeit a uch bei weite re r Drch z ahlst cigcr ung die lokale Schallgeschwind igkeit
nicht. Die Vergrößeru ng der Ventilöffnungs fläche ist dahe r ei n wicht iges Krite rium bei de r
Fest1cgu ng des Mot orkonzepts . Siehe auch Abschni tt Zylinderkopf.
v erb rennu ngsgeschwtndlg kelt, Kolb engeschwt ndlgkett comb ustion vetocity. piston
speed, Das Bren nverfahren muss im Stande sei n. möglichst rasch da s pro Arbeitss piel zuge-
füh rte Ge misch volls tän dig zu verbrenne n. Die Fla m men frontgesc hwind igkeit cF setzt s ich
z usammen aus der Bren ngeschwindigkeit ca (relativ zum unvcrbrann tcn Ge misch) und de r
Transportgeschwi ndig keit CT' mit der die Flammenfro nt durch Eigenbeweg ung des Gasge-
misches transpo rtiert wird: cF == cn + CT' Motordrehz ahl und Brennraumgeo metrie beein-
flussen d ie Tra nsportgesch wi ndigkeit er- Die Bren ngesch w indigke it cn w ird bes t im mt vom
Zusta nd des Ge mischs. der chemischen Zusam mense tzu ng des Kraftstoffs und dem Luft-
vcrhälmis L siehe Bild L-3.
14
12
·
J.6
4
2
0,4
0,6
0,8
1,0
Luftv erhält nl s ),.
,,2
[-I
,,4
Bild L·3
Einfluss von Luft verhältnis Ä. auf
Brenngeschwindigke it cs. Mit-
teldruck P m.a und spe zifischem
Krafts toffverbra uch ö, eines
Ottomotors.
Das Luf tverhältni s beeinflusst
die Brenngeschwindigkeit und
dam it Mitteldr uck und K raft-
stoffverbrauch eines Verbren -
nungsmotors.
1 Grundlagen
L
Der maximale Mitteldruck P m.c wi rd bei Benzin bei einem Luftverhältnis von O.X5 bis 0.9
(Kraftstoffüberschuss) erreicht. wo die größte Brenngeschwindigkeit eH auftritt. Der effek-
tive Wirkungsgrad dagegen wird in erster Linie von der Vollkommenheit der Verbren nung
und weniger von der Brenngeschwindigkeit bestimmt. Bei A. "" 1.I (10 % Luftübcrschuss)
wird daher da s Verbrauchsmi nimum erreicht.
Die Transportgeschwindigkeit kann du rch den Einlassvorgang und die Brenn raumgeo-
mctric beeinflusst werde n. Die Gestaltung des Brennraums und des Kolbenb odens sowie
die Zündke rzen lage sind somit ebenfalls lclstungsbcsrirnmcnd.
Wie sich die result ierend e Flammen frontgesch win digkeit (ftomefro« t relocity) cr über
der Dreh zahl änder t. zeigt Bild L·4.
Bild L·4
Flammenfrontgeschwindigkeit
CF bei 4·Vent il·Ottomotoren m it
hand elsüblichem Kraftstoff.
Bei ger inge n Drehzahl en ist die
Flammenfrontgeschw indigkeit
prakt isch gleich d er B rennge-
s chwin digkeit von 24 bis 25 rn/s .
Mit steigende r Drehzah l nimmt
die Transpor tgeschwindigkeit
und dam it d ie Geschw indigkeit
der Flammenfront zu. Bei 45 rn/s
nähert sich die Flamm enf ront·
geschwindigkeit einem ob eren
Grenzwert.
14
6
8
Moto r drehzah l
4
...... ~ ;.. ..; ,.....•.....; , ; ..;
,':;...
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s
.g 35
•
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~30
0
c
~
~25
E
E
•
~20
2
Will man den Gren zwert der Geschwindigkeit der Flammenfront weiter nach obe n schie-
ben. muss die Kraftstoffzusa mmensetzu ng geä ndert werden. Das ist nur bei wenige n Regle-
ments möglich. Deshalb ist eine Verkürzung der Flammenwege im Bren nraum zielfuhren-
der. Dies geschieht du rch kleinere Bohrung oder mehr Zündkerzen pro Zylinder.
Die Schnelligkeit der ottomotorischcn Verbrennung wird also maßgeblich du rch die vor-
handene Turbulen zintensität bestimmt. Die Konsequen z ist. dass die Brenndaue r - ausge -
drückt in Grad Kurbclwi nkcl -. bei gleich bleibender Last praktisch unabhängig ist von de r
Motordrehzahl. Die Motordrehzahl ist folglich nicht die bestimmende Ähnlichkeitsg röße
bei Ottomotoren . sondern die mittle re Kolbengeschwindigkeit "m- Diese charakter isiert die
wichtigsten rnbologischcn und strömungsmechanischen Prozesse. Ma n beobachtet. dass
ungefähr bei \'m> IXmls die Dr uckabfälle so sta rk zu nehmen. dass keine gute Zylinde rfül-
lung mehr gewährleistet ist [L29]. Die Lebensdauer des Motors leidet ebenfalls merklich.
wenn die mittlere Kolbengeschwi ndigkeit diesen Wert überschreitet. Aus der Beziehu ng
für "mfolgt. dass bei einer Drehzahlsteigerung der Hub verkleinert werden muss. wenn die
bekannte Grenze für "mnicht überschritten werden soll.
L Rennmotoren
s'nM
~. =--
m
30()On
Za hle nwertgle ich ung :
s
Hub (mm]
\'m m itt le re Kolbengeschw indigkeit [rn/sI
"M Motordrehzahl [min'"]
(L.2)
We rte f ü r maximale mitt lere Kolbc ngcsc hwindig kcitc n:
"m.rnax < 20 m/s Erfahrungswe rt für Serienottomoto ren Pkw,
"m.max = 19 bis 21 m/s für Langstrccken-Motorcn (Lc Malls ctc.],
" m.rn ax "" 25 bis 27.3 m /s bei Formel-I-Motoren.
Bauteilfesti g keit cmnponents s treng th, Die Bauteile . die d ie G renzen einer Drc hza hlstci-
gcrung vorgehe n. sind der Kolbe n. Jas Pleuel . die Ku rbelwelle u nd die H aup tl age r. Mit
ste ige nder Dre hzahl steigen d ie Re ib ungsverl uste stark an u nd übe rquad rat ische Hub -B oh -
ru ngsvcrhälrnissc (s. Anha ng). also s lB < I, sind gegenüber andere n Auslegu ngen auch in
dieser Hin sicht im Vorteil. Der Reibleis t ungsgewinn überwiegt die höheren Wärmeverluste.
Bei einem kleineren Hub ergibt sich bei gegebenem Hubra um ein größerer Boh rungsdurch-
rncsscr. D ieser er mög licht größere Ventild urc h messe r. was gera de be i hohen D rehza hlen
den Liefergrad heb en hilft . Bei kleinem Hub bleibe n auc h d ie oszillierende n u nd ro tiere nden
Massenkräfte klei ner. Hochdreh za hlmotoren profitieren also meh rfach von überquadrati-
schen Hub-Boh ru ngsverhähn issen.
Neben dieser Überlegung sind weitere Kriterien, die für eine Drehzahlsteigerung betrach-
tet werden müssen die mechanische (Warm-[Festigkeit von Baut eile n. die Aufrechterhalt ung
der Sch mieru ng u nd Schw ingu ngen im Ventiltrieb.
Mitteldruck II/I!(ln effective pressure . Je hö her der effekt ive Mit teld r uck P m. c' des to große r
die vom Motor entfaltete Leistung und das Moment . Der Mitteldruck stellt überhaupt eine
praktische Vergleic hsgrö ße von Motoren untersch iedlichen Hubra ums dar. Er ist das auf den
Gesamthubra um bezogene Dreh mome nt. Mit einem hohen Mitteldruc k ist es auch möglich
hohe Leistung bei relat iv geri nge n Drehzahlen zu erzielen. Das verbessert die Fahrbarkelt
und den Kraftstoffverbrauch. Außerdem muss bei einem vorgeschriebenen Luftmcngcnbc-
grenzet d ie Dreh zahl unterhalb de r G renzdrehz ahl bleiben, soll de r Motor nicht ersticken
(s. auc h Abschnitt 4.5). Ein geringer Kraftstoffverbrauch bietet den Vorteil des geri ngeren
Sta rtgewichts u nd a uch wäh rend des gesa mte n Re nnens ei n g ü nstigeres Leis t ungsgewic ht .
Die Wirk ung der Gaskraft auf den Kolben kan n auch dadu rch erhöht werde n. dass der
Gegen d ruck au f de r Kolbenu nterseite red uziert wird. Sen kt ma n den Druck im Kurbel raum
ab, erhöht sich die Leistung entsprechend GI. (L.I):
;
sr: =-- , z'nM .'u, . '~h
c
000
'-'t rn.c
Wird de r Kurbelraum eines Saug moto rs evakuiert. so ist die Mitteld ruckzunahme etwa I
bar (das ent spricht dem sons t an der Kolbenunterseite wirkende n Umgebungsdruck). Bei
einem 3-I-Motor führt das bei 10000 min -I zu einer Leistungszunahme von fo"Pc = 25 kW.
Natü rlich geht davo n ein Teil f ür d ie Vakuumpumpe verloren. Nebenbei werde n d ie durch
Luf t reib ung he r vo rg e rufen en W iderstände der beweg ten Kurbeltr iebs teile be inahe vollstän-
dig reduz ie rt.
51s1
1 Grun dlagen
L
Der Mitteld ruck wird maßgebend bestimmt vom Luftaufwand und vom Ge misc hheizwert.
Pm.c = 'Ic.~
. He;
r,c effekti ver Wirku ngsgrad [- I. ist das Verhält nis de r
geleisteten Ar beit z u r eingesetzten Bre n n stof fe nerg ie.
Bestwe rte für 'Je bei Rennmotore n bis etwa 0.3 (also
] 0 %). bei Seri enottomotore n zwischen 0,25 und 0.35.
Diese Werte werden nur in bestimmt en Betriebspunkten
e rreic ht.
Aa Luftaufwand [-] . ist das Verhältnis de r tatsäch lichen
z ugeführten Frischladung z ur theoretisch möglichen.
d. h. ohne Verluste eingebrachten. Ladu ngsmasse im
Zy linder
HG Gemischheizwert [k.l/m-"] . ist die aufdas Volume n de r
Frischladu ng bezogene Bren nsto ffenergie
(L.3)
Aus dieser Bez ieh ung folgen weitere Maßnahme n zur Erzielu ng mög lich st großer Leis tu ngen
und Momente:
Wirk u ngsgrad effic ie ncy. Der effektive Wirku ngsgrad muss hoch sei n, d . h . s ä mtl ich e
Verluste (Reibung, A ntr ieb von Nebenagg regate n....) müssen klein gehalten werde n,
Das Verd icht ungsverhält n is (co mpresslon r a tio ) stellt e ine leicht zu beeinfl ussende Grö-
ße dar. mit der der Wirkungsg rad gehoben werden kan n. siehe Bild L-5 .
Bild L- 5
Einfluss des Verdicht ungs -
verhä ltnisses auf effek tiven
Mitleid r uck und effektiven
Wirkungsg rad bei Volllast eines
Ottomotors (L 26].
Über einem Verdicht ungsver-
hältnis von 17:1 nn der Wir-
kungsgrad ab. Bed ingt durch zu -
nehmende Reibunqs krätte und
dur ch Ausw irkungen de r Brenn-
raum torrn
.
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7
9111315171921
Verdi chtungsverhältnis ~ [ .j
Beim Ottomotor wird das p raktisc h nutzba re vcrdichtungsvc rhältnis durch Klopfe n u nd
Glühzü ndung begrenzt. Um die Grenze möglichst weit hinauszuschieben müssen Brennräu-
me kompak t (klein es Obe rl1äehe n-Volumen-Verhä ltnis hält die Wand wärmeve rlus te kle in)
und wenig zerk lüftet sein. Die Kra ftstoffzusa m mense tzu ng stellt eben falls eine Maßnah me
zur Beseitigung des Klopfens dar. Die Oktanzah l ist ein Maß für die Klopffestigkeit. Von
diesem Mittellässt sich alle rdings nur Gebrauch mache n. wenn es das Reglement gest attet.
Selbst in de r Formel 1 werde n (m ittlerweile) nur Kraftstoffe zugel assen. die praktisch dem
bleifreien Superkraft stoff m it ROZ 98 (Resea rch-Ok tanzahl) an de r Tankstel le entsp reche n.
Die Oktan zahl lässt sich in dem Fall nu r in engen Grenzen (ROZ 95 bis 102. [L34)) durch
1519
L Rennmotoren
gefinkelte Verschnittver fah ren. wie sie im benöt igten Ausma ß nur de n Kraftstoffherstellern
möglich sind. steigern.
Luftaufwa nd IJUlH o fo ir corr esp onding to cyiin der volume. Ocr Luftau fwa nd soll mög-
lichst groß sein. Eine Möglichkeit da zu bietet d ie AuAad ung. Dabei wird meh r Ladung in
den Brennra um geschafft. als es theoretisch der Saugmotor schafft. d . h. der Luftau fwa nd
ist größer als 1. Man kan n die Wirkung einerAufladung somit auch mit einer Hubraumver-
größerung des Saugers vergleichen. Ocr Lufta ufwand wird auch größer bei st römungsgüns-
tig gestalteten Artsaugbereichen und Erzielung von Aufladeeffekt en durch gasdynamische
Phänomene, die zumindest in einem schmalen Drehza hlbereich wirken.
Die Ladungstemperatur soll möglichst niedr ig sein. Eine hohe Temperatur der Frisch-
ladung bewirkt eine kleinere Ladungsmasse im Zylinder als es möglich wäre, wegen de r
geringeren Dichte der ausgedehnten Ladung. Eine ande re Vergleichsgröße für den Erfolg
des Ladungs wechsels ist der Liefergrad tcharg ing ejjicie ncy ) ..1.1' Dabe i wird d ie tatsä ch lich
im Zylinder befindliche Masse an Frischgas mit der theoretisch m öglichen (= Hubvolumen
mal Luftdichte) verglichen. Für a -Takt Saugmotoren liegen die Bestwerte im Bere ich O,g
bis tl,9 und da rüber. Aufgeladene Motoren erreichen Werte von 1.2 bis 1,6 . Den grundsätz-
lichen Verlauf des Liefergrads über der Drehzahl ze igt Bild L-6. Der Liefergrad setzt sich
zusam men aus de n Spül- (I). Strömungs- (2) und Aufheizverlusten (3).
Bild l -6
Liefergrad AI über der Motord rehzahl nM'
Der Li efergrad setzt sich aus folgend en Anteilen
zusamme n :
1 Anteil Spülverluste
2 Anteil Str ömung sverluste
3 Anteil A ufheizverluste
Der theoret ische Max imalwert des Liefergrads
liegt mit c/(f -l) fest.
n•.••n
Dre hz ahl n.
".... ,
Die Dro sselverluste ergeben sieh durch die Strö m ungs widers tä nde im Artsaugsystem und
an den Ventilen. Aufhei z ve rluste entstehen du rch Wärme a us la usch der Luft m it den Saug-
rohrwä nden und de n Zylinderw änden . Spülverluste s ind die Folge von v c milübcrschnci-
dung und zu geringem Abgasgegendruck. Mit steigender Drehza hl nehmen Drossel- und
Aufh eiz verluste zu, bei geringen Drehza hlen überwiegen die Spülverluste. so dass de r Lic-
fcrgrad AI im mittleren Drehzahlbereich ein Maximum besitzt. Die Lage dieses Maximums
kann durch die Wahl der Steuerze iten und durch Abstimmung von Saugrohrlängen und
Durchm esse r beei nflusst we rden.
Cem lschhelzw err mixture hellt vaiue , Die Größe des Gemischheizwerts HG wird von de r
im Kra ft stoff chemisch gesp eicher ten Ene rg ie best im mt. Die Kraftst of fzu sam menset z ung
erlaubt also ebenfall s eine Beeinfluss ung der Leist ung. Davon kön nen alle rdi ngs nur we nige
Rennklassen merkbar Gebra uch machen. Ein klass isches Beispiel für enorme Leistu ngs -
520 I
1 Grundlagen
L
steiger urig (und zugleich auch eine der wenigen Ausnahmen) durch entsprechende Kraft-
stoffzusam mens etz ung stelle n Dragstcr dar. Bei Beschleunig ungsren nen so rgen exotische
Treibstoffe von Nitromethan bis Di-Olcfinc für Literleistungen bis z u 5110 kW/l.
Der Gemischheizwert errechnet sich wie folgt:
HG
Hupl.
fürA2: I
H,
spezifischer Heizwert des Kraftstoffs [J/kg].
=
Superbenzin Hu = 43 170 k.l/kg,
ÄLm in
Methanol Hu = 19600 kJ/kg.
HG=
Hup!.
I1Jd S
Pt
Luftdichte [kg/mJ ]
Lmin
Lmin Luftbeda rf für stöchiometrische Verbre nnung
[kg Luft/kg Kraftsto ff] ,
(L.4 )
A=
11I1.
Super benzin Lmin = 14.7 kg/kg.
IIIK • Lmin
Methanol Lmin = 6,4 kg/kg
A Luftverhiiltnis [- ]. s . auch Anhang
"' L tatsächlich im Zylinder vorhande ne Luftmus-
sc [kg]
IIIK im Zylinder vorhande ne Kraftstoffmasse [kgJ
Huhraum displacemen t, Je größer der Hubraum. desto grö ßer die ma ximale Leistung. Die
Grenzen einer Hubraumvergrößerung zieht einerseits das Reglement. andererseits schränken
thermodynamische Erkennt nisse das Einzelzylindervolumen auf einen brauchbaren Be reich
ein (siehe unten). Zu große Brennräume haben den Nachteil. dass die Flammwege zu groß
werden und die Ladu ng bei g roßen Drehzahlen nicht mehr vollständig durchbren nt.
Zusammenfassend gibt Rild L-7 die spezifischen Leistungen unterschiedli cher Motor en
über der Drehzahl wieder. Die maximale Literleistung von Ren n-Dieselmotoren liegt ver-
gleichswe ise bei 90 kW/1.
.
j
15000 20000
nM[min"]
.. ............,... .
5000 10000
Drehzahl
..................._
Aud i Le Wans
i
~;W200.2-~
-\---------l)TlI--1-~9-8 ._~ ~_ F1 230.2
.j
-F";-~.
-
F" 1 199 4 Uotorrad '
STW 98
Se rie
:
-
-
-
---
-
---
--- -
·- - --- - ·- - - - t i:iii-r iief ----------------------------------------·1
.,
..;
o
~
~ 600
~
. ... 500
o
c 400
,
~ 300
.
-
~ 200
~ 100
~ 0 .J.-~~;::'~~"":::==r~~=i-_
-'
Bild L· 7 Literleist ung von M otor en, nach [L42].
Die eingezeichnete Ausglei chsgerad e bestätigt die p raktische Gültigkeit von GI. (L 1). Bei gegebenem
Mitt eldr uck w ird d ie Leistu ng mit der Drehzahl gesteigert. Eine weitere Steigerung erreicht man m it einer
Erhöhu ng des Liefe rg rad s (a. B . Aufladu ng: F1 1987 .. Formell 1987) oder du rch einen andere n Kraft -
stoff (Top Fuel). Die stärkste n Motoren haben d ie Draqster (Top Fu el). Die Literleistu ng en der aufgelade-
nen t.ö-r -P orm er-t-M otoren der 1980er Jah re komme n an zweiter Stelle. Die Fahrzeuge der Indy Racing
League (IRL) haben d ie stärksten Triebwerke auf der Rundst recke, dicht gefolgt von den zeitgenössischen
s orm el- t -M otoren.
15 21
L Rennmotoren
Die abhängig vom Einsatzzweck gewü nsc hten Eigenschaften werde n bei au sgef üh rten
Moto ren im Allgemeinen d urch folge nde vo n de n de nkb are n - oben abg eleitete n - Maßnah-
men erreicht [L09]:
hohe Drehz a hl bzw. großer Drehzahl bereic h. wobei de r Dauerbetrieb be i Drehza hle n
von über 19000 min -I, z. B. Formel I, wesentlich durch de n Einsatz von pneumatischen
Ventilbetätig ungen ermöglic ht w ird,
grö ßtmögliche Entdross clu ng des Ansangweges.
leist u ngsopt imale Bauele mente wie Sa ugroh r, Abgaskrü m mer u nd Abgasführ u ng.
großer Ventilh ub u nd vier Ventile pro Zy li nder. wobei das Vent ilmaterial meist T ita n ist
(geringere Masse bei etwa ähn licher Festigkeit wie Sta hl),
ver besserte Kühlu ng, besonde rs des Zylinderko pfes.
Trocke ns u mpfschmierung "'iegen extre me r Besc hle unigungen des Fahrzeugs .
bei Ottomotore n möglic hst klopffeste Bren nr äum e. das bede utet rela tiv klein e Ventil-
wi nkc l, mitt ige Kerzen lag e u nd mo derate Verdich tu ngsv erhältnisse u nd Kolbe n m it
mög lichs t ebenem Kolben boden.
du rch höhere thermische und mech an ische Belast ung Anpass ung der Struktur. der Werk-
stoffe und de r Verbi ndungsele mente (Verschraubung] an die gestiege nen Anfo rderu ngen.
mög lichst geri nge Masse d er verwendeten Bauteile (z . B. T ita n, Kera m ik, kohlefaser-
verst ärkte Kunststoffe), Ein leichter Motor füh rt zu ei nem leichten Fahrzeug und führt
bei einem ge forderten M indestgewicht zu r freie n Wahl der Lage von Z usatzmassen z u r
Verbesseru ng de r Fah rzeugbala nce .
Lebe nsdauer angepasst an den Rennbetrieb [Bild L-8). besondere Maßnahmen zur Qua -
ht ätssichcrung de r verba uten Teile (Einzelprüfu ng) und rout inebesti mm ter Aust ausch
von Teile n n ach besti m mter Laufleistu ng .
~ 4400 ....., .:, ' F~'~C
,
,__
·····1
_._
_-
···· 1
10'
10'
100
10 00
10'"
Lebensdauer I km)
10
g> 1500
.a 1000
.~ 500 '_--...;,_....:::;:===::!...~~~~~17!!!:!!...+.;-
~ 0"1
Bil d L-S Lebensdaue r von Motoren. nach [L42].
Die Triebwe rke de r Top Fuet Draqster haben zwa r beeindruckende Leistungen. müssen allerdings auch
bereits nach acht Rennläufen (. 5 km) übe rho lt werden. Umgekehr t erklärt das auch. warum Langstre-
c kenaggregate (z. B . Aud i La Mans) den Serienausführungen so ähnlich sind.
2 Motorenwahl Choice of eng ine
Bei der Kon zeption von Rennfahrzeugen wird nicht immer ein neuer Motor konstru iert. sonde rn
oft aufvorhandene Moto re n zu rückgeg riffe n. Viele Fah rze ughers teller haben a uch gar keinen
eigenen Motor, sondern sie bieten ih r Fahrze ug oh ne Motor a n. De r Kunde ka uft oder least sieh
in Folge eine n Motor von ei nem Motoren hersteller. Nachstehe nd folgen da her ei nige Übe rle-
5221
2 Motorenwahl
gungen zur Auswahl von geeigneten vorhandenen Motoren. Diese Kriterien können aber auch
vortei lha ft bei Übe rlegun gen z ur Neukonstru kt ion von Aggr egat en herang ezogen werde n.
Die wichtigsten Bewertungskriterien sind [L02]:
Mot orleist un g.
Fah rba rkelt.
Moto rgewi cht. Zylind erabstand. Bankwin kel. Material,
Zylinderabstand- Hub -Boh ru ngsverhältn is.
Äußere Abmess ungen: Zylinderabstand. Bank winkel.
Schwe rpunkthöhe: Bankwinkel, Materialien,
Kraftstoffverbrauch.
Einströmbedingungen für die Frischladung: Bankwinkel. Höhe,
Ausst römbedingu ngen für die Auspuffabga se. Bankwi nkel. Breite.
Zylinderza hl. Zündabstand und Zündfolge.
Verlustleistu ng.
Schw ing ungsverhalte n (Mass ena usgleich und rotie rende Massen) : Zylinderabsta nd. Bank -
winkcl, Hub / Boh ru ng.
Drchun glcicbförmigkc it : Bank wink el. Hu b/B o h r un g. Ku rbelw elle ,
Eignung für Aufladung.
Harmonie mit dem Fahrzeug.
Zünd- und Einspritza nlage.
Hilfsaggrcgatc,
Ersatztcilvcrfilgbarkcit. Service,
Potential zur Weiterentwicklung.
' Intorldst un g engine power. Hohe Motorn enn leistu ng ist Vora usse tz ung für eine hoh e
Endge schwindigkeit . Sie sagt jedoch nichts über Fahrbarkelt und Bcschlcunigungs vcrmö-
gen au s. Außerdem kommt die angegebene Maximall eistu ng nur dann zum Tragen. wenn
der Fahrer voll am Fahrpedal steht und wenn die Nenndrehzahl dabei erreicht wird.
Fahrba rkelt driveabiiity. Der Verlauf der Drehmomentkurve eines Motors und die Charak-
teri stik zwische n Fahrpedalstellu ng und abgcgc bncm Moto rmo ment ist fllr d ie Fa hrbarkelt
maß gebend. Je stärker ein Motor und je leichter das Fah rzeug ist. desto wichtiger wird die
Möglichkeit das Motormom ent feinfühlig zu dosieren. Dies vor alle m. wenn Traktio nskon-
trollen nicht erlaubt sind. Mit abnehmendem Hubraum wird im Allgemeinen die Fahrbarkeif
hochdrehender Rennmotoren besser [L32].
Ziel der Motorenentwicklung ist ein hervorragend es Ansprcchvcrhaltcn und eine sehr
gute Fahrbarkelt unter allen Wetter- und Streckenverhältnisse n. Dies gilt sowohl für Sprint.
als auch Langstreckenbewerbe.
vtor orgewtcht engine weight. Größe und Ausführung des Motors sind in erster Linie
bestimmt von der Forderung nach Leistung, Drehmoment, Komfort, Berücksichtigung von
A bgas- .
Verbrauc hs- und Geräuschvorschr iften. der Wahl der Ge mischaufbe reitung. der
Zündanlage und der Forderu ng nach Wartungsar mut und guter Zugänglichkelt.
Die Motorleistung bzw. das Moment bezogen auf die Motormasse bietet ein Entschci-
du ngskritcri urn. das für alle Fahrze uge interessant ist. Bei Serien-Ottomotoren liegen die
Werte für Sauger bei n,s bis 0,9 kW/kg. 3-I -Formel-I -Triebwe rke wiesen Werte bis zu
4,6 kW/kg auf [L09]. Die Bestwerte lieferten die Formel-I 1.5 I Turbo-Motoren mit 5 kWlkg.
L
1523
L Rennm otoren
Bauform cyunder ar rangement, Die Wahl der Bauform. z. B. V-Motor, w -Motor, Reihen-
motor oder Boxer- wird nicht nu r von der gewünsc hten Hubrau mforderung beeinflusst, son-
dern auch vom Platzangebot im Fahrzeug bestimmt.
Beispielsweise variiert der Platzbedarf von jeweils gleich große n v -Motorcn mit ver-
sch iedenem Zylinderwinkel. Dies gleichzeit ig als Beispiel dafür. dass nicht immer nuch
maschinendynamischen Gesichtspunkten (Zylindcrwi nkcl 60°, 1200
oder 1800) verfahren
wird. sondern der Platzbedarf vorrangig behandelt wird - und dann kommt es zu Lösungen
wie ö-Zylin dcr-v -cüv-Motcr und V8-75°, VIO-6r . V 10-72° un d VI2-65° (ei n gleichmäß iger
Zündabst and pro Zylinderba nk bleibt jedoch erhalten) [L02].
Schwerpunkth öhe ce nlre ofgravity heigh t. Die Q uerschn itte der unte rschiedl ichen Moto r-
konzepte bestimmen nicht nu r die Schwerpunkthöhe. sondern auch wie gut sich die Trieb-
werke in das Gesamtsystem Fahrzeug einfügen lassen. Wenn man nur die Sehwerpunktshö-
hcn bewertet. schneiden die flachen Motoren um besten ab. Bild L-9. Ein 144° V-Winkel ist
günstiger als lKW, weil da s Auspuffsystem und die Zusatzaggregate (Ölpumpen. Ze ntrifu-
gen, ...) für diesen Motor eine höhere Einbaulage im Fahrzeug verlangen. Den noch werden
wegen des besseren Einbaus bei Formel- I-Fahrzeuge n Winkel mit 65° bis 72° bevor zu gt.
Die ungünstigeren Schwerpunkthöhen werden dabei in Kaufgenommen. Mittlerweile ist die
mini male Schwe rpunkthöhe filr For mel-I -Triebwerke vom Regleme nt auf 165 mm lim itiert.
Die Kupphmgsgrößc (D urchmesser) begrenzt die Abscnkmöglichkcit des Motors im Fahr-
ze ug. insbes o ndere be i e iner durc h Trock ensumpfschmierung er mög lichte n flachen Ö lwa nne.
Bild L-9 Schwerpunktlagen versch iedener Motorkonzepte.
Vergleichsbasis ist ein V-144°·Mo lor mit Schwerpunkthöhe 100 % .
5241
2 Motorenwahl
L
"!
... ..;
Bild L-10
Abmess ungen verschiedener
Motorkon zepte.
Die Wer te folgen aus den Skizzen
von Bild L-9. Im Gabelwinkelbe -
reich 120 bis 150° ergibt sich ein
brauchbare r K ompromiss .
100
607590105120135150165180
V-Winkel ( ° 1
160
,
150
~ ... 140
' o .>t:.
:0
~5.130
oe
:::: ~ 120
o~
~ ~ t 10 ~=-l..;~~~;:::t:~~~::::~:::J,.~
vtcto r brcne engine width , Ein b reiter Motor bietet für e in Mittelmo torfah rzeu g eine g ute
Basis zur Verschraubu ng mit dem Rahmen . Ideal bei einem Monoposte ist die Schulterbrei-
te de s Fahren; plus ca. 100 mm (fiir Wandstärke n und Freiraum). Ist der Motor breiter stört
er die schmale Spantfläche (Luftw iderstand) und die Anströmung de s Heckflügels. Bildet
man wie bei der Schwerpunkslage Vergleiche von Motoren unterschiedlicher V-Winkel.
sch neide n hier er wa rtu ngsgemä ß Motore n mit kleinem Gabelw inkel besser ab. lJild 1.-10.
'Iutorlä nge engine length, Die Moto rlänge b eeinfl usst bei eine m Mittelmotork o nze pt
direkt den Radstand . vgl. Bild B-15. Ein kurzer Motor ermöglicht das Fahrzeughe ck schm al
zu halten. was bei Einsitzern mit freistehenden Rädern wesentliche Vorteile in de r Aerod y-
namik bringt. vgl. Bild E-14 .
Neben den reinen Abme ssu ngen ist die Symmetrie um die Längsebe ne des Motors inte-
ressant. V-Motoren können einfach sy mmetrisch gestaltet werden (vom Pleuelversatz ein-
mal abgesehen). Ein symmetrischer Aufbau ergibt bessere Ausnutzung des vorhandenen
Platzes bei Motore n. deren Kurbelwelle in de r Längsmittenebene des Wagens liegt. und
erspa rt Überführen von Leitungen von einer Fahrzeugseite zur anderen.
Hub-Bo h r u ngsver hältnis stroke/boreratio. Das Verhältnis Hub zu Boh rung legt die prinzi-
pielle Charak teristik des Einzelhu b volu men s fest. Demnac h unterscheidet num qu adrat ische
Auslegungen (sIR = I). unterquadratische ode r langhubige Auslegungen (sIR> I)) sowie
überquad ratisch e oder kur zhubige Au slegun gen (s IR < I). Folgende Vo r- bzw. Nachteile
extremer Au slegungen sind bei der Wahl einer Auslegung zu bedenken. wobei die Vorte ile
einer Auslegun g die Nachteile der a nder en sind u nd umgekeh rt [UOI.
Vorteile eines langen Hubs:
Motor charakteristik au f hohes Drehm ome nt au sgerichtet.
kompakter Brennra um mit kurzen Bren nwegen und günstigem Oberfla chen-Volumen -
vcrhälmis sorgt für hohen G üteg rad der Verbr en nung.
kleine re oszillie re nd e Ma sse n pro Zylindereinheit.
kleinere Boh rung bedeutet geringere Triebwerksbelastung durch Gaskraft.
Nac hteile vo n langhubigcn Aus legu nge n :
kleiner Boh rungsdurchm esse r filhrt zu ebenfalls kleinen Ventilq uerschnitten . Dies wirkt
sich alle rdings erst bei hohen Dreh zahlen nachteilig au s.
15 25
L Rennm otoren
der große Hub führt z u hohen mittleren Kolbengeschw indigkeiten . was die Reibverluste
er höht und eine obere Drehzahlbeg renzu ng darstellt.
bei relativ kurze n Pleuelsta ngen erhöhen sich die oszi llierenden Masse nkräfte stark,
die rotierenden Massenkräfte nehmen injedem Fall zu,
größerer Hub erhöht im Allgemei nen den Pleuelsehni gsta nd und damit die Kolbens eiten -
kraft. Dies wieder um führt zu erhöhter Kolbendefo rmation und -rcibung.
Für eine endgültige Entscheidung ist die Nenndrehzahl des Motors entscheide nd. Bei mode-
raten Drehzah len erweise n sich Langhube r in Summe (Reibung. Mitteld ruck. Kraftstoff-
verb ra uch) als gü nstiger. Wird eine hohe Drehzah l angestrebt. sind kurz hubigc Motoren zu
bevorzugen (slB um 0.55).
Etnsrröm bed tng ungc n airfeed conditions. Der Motor soll möglichst kühle und sa ubere
Luft zugeführt bekommen. Je weniger Umlcnku ngcn erforderlich si nd undjc kürzer externe
Luftfü hru ngen ausfalle n. desto besse r. Die A nsaugstellen we rden meist als NACA· Einlässe
ode r Kam ine gesta ltet. Bei letzteren kommt durch den Staudruck eine leichte Aufladung
zustande. Bild L-t t.
Bild L-11 L uf teinlas s an einem Formel -l ·Wagen (BMW W illiams FW 18. Saison 1997).
Die Verbrenn ungs luft ström t mittig üb er dem Helm des Fahrers unterstützt d urch den Sta udruck ein . Bei
260 km /h beträgt dieser etwa 200 roter Das führt bei einem 3.5 I Saugmo to r zu einer Mehrleistung von
ca. 7,3 kW [L02].
Zylind crzahl cylinder number. Bei gegebe ne m Hubraum e rgibt sich die Zylinderza hl aus
dem gew ünschten Volume n eines Zylinders. Für 4 -Takt Ottomotoren stellen ca. 300 bis
350 em "' ein günstiges Einze lzylindervolume n dar [L(2). Für geringen Kraftstoffverbrau ch
stellt 450 bis 500 cm" das Optimum dar (L09].
Hält man den effektiven Mitteldruck und die mittlere Kolbengeschwindigk eit fest. so
führt bei gegebenem Hubrau m eine Erhöhung der Zylinderzahl (z'= höhere Zylinderzahl)
mit GI. (L.I) zu folgende m bemerkenswerten Ergebnis. Bild L-I2.
2 Motor enwahl
L
Bild L·12
Motorkenngrößen in Abhängigkeit vom Zylinder-
zahlverhältnts. nach [L4 1].
Wird d ie Zy linde rzahl bei gleichem Hubraum von z
auf r erhöht, so ändern sich folgende Kenng rößen
nach den mit Abis F gekennzeichneten Verläu fen.
A Gesamtlän ge des Motors
B Reib ungsverlus te
C Drehzahl, Leistung, « ce eoceeerotuäcne,
Vent ilfläc he
D spez ifische Lag erb elast ung
E Boh rung, Hub. M otorhöhe. Motorbrette.
Leis-tungsqewicht [kgfkWI
F Kolbenflächef Zylinder, Ma ssenträgheit,
Gaskräfte
A
--.--- -_
..j
-1
-
-
-
-
--
-,-
----i
..--; B
ic
"::,:-- I
,;
;0
'-'--
_; _'HH-----' E
,
F
12
4
6
8
10
12
Zyl1nderzahlverhältnis z ' / z l- J
.1
... __ . _.. ........... _ _ <.
I
!
!
!
.
!
Iii
1-1- -+-
;
;
,..__...1..
=r -'-
--,
4
5
Ein 8-Zylindermotor gibt d ie doppelte Leist ung (Verla uf Cl eines Einzylinders mit gle ichem Hubraum,
eff ekt ivem Mitteldruc k und m ittle rer Kolb eng eschwindigkeit ab , Seine Nen ndrehza hl ist d abei ebenfal ls
verdoppelt w or den. was sich allerdings wegen des entsp rechend kleineren Hubs nicht auf die Kolb enge -
schwindig keit au sw irk t.
Theo retisch nimmt die Motorleist ung also bei gegebenem Hubraum mit de r Zylinde rzahl zu
( Pe l VII - lf'; ). Das stellt man auch praktisch fest. allerdings nur bis z ur Zylinde rzahl zwöl f.
Darüber werden die Einzclvolumina zu klei n und die Leist ungsa usbeu te geht z ur ück.
Das Hub-Boh ru ngsverhä ltn is wird bei konstantem Hubra um mit zu nehmender Zylinder-
zahl kl ein er. Kurzhubige Kurbelwellen sind wegen de r große n Zapfenüber deckung biege-
und torsionssteifer als langhubige Ausführ ungen. Kurz hubig bedeutet auch eine verhält-
nismä ßig große Bohrung. Dies ermög licht g rößere Ventile unterzub ringen . wodurch der
Luftdurchsatz durch den Motor erhöht wird , Bild L-I3.
"
8
10
12
Zyllndarzahl 1 - )
,
H~ 220
';'200
•
~ 180
;:: 160
•
g' 140
,
c: 120
•
~100
~
';j 80
~ 60 -1"'-,---;.--;--'-,-----;,----_----;_
>
•
Bil d L-13 Einfluss der Zylinderzahl auf d ie ventüquerscbr utt snäcbe.
Basis 3.5 I H ubraum, mit Hub -Bohrungsve rhältnis vo n 0.7; Vent ilhub 10 mm und Ve rhält nis der Ven-
t ildur c hm es ser Einlass/A uslass ist 1.2. Mit zu nehmender Zylinderza hl nimmt die Ventil öffnungsfläche
zu , M an erkennt a u ch, dass ein 2-Ventil 6- Zy lindermotor etwa d ies elb e Öffnungsfläche w ie ein 4 -Ve nti l
a-Zyünde rmoto r auf weis t . Wi ll man beim 4-Ventiler d ie Fläc he ge genüber dem 6-Zylinder deutlich ver-
größern , so muss der M ot o r m indestens 5 Zylinder haben. Dann allerrn nqs entsp richt d ie Fläche schon
einem 8-Zylinder z-vemuer.
15 27
L Rennmotoren
Die Verlustleistung kan n mit der Zylinderzahl zunehmen [L02]. In [L06] wird allerdings
nur ein Einfluss der Zylinderzahl auf die Aufteilu ng der Verluste im Vergleich d-Zylindcr
z u 6-Zyli ndc r festgestellt. Die Gesa mtverl uste sind bei dieser Untersuchung nahezu unab -
hängig von der Anzahl der Zylinder.
Im Allgemei nen sind Moto ren mit höheren Zylinderzahlen schwere r. Ein direk ter Ver-
gleich ist kau m möglich. weil Mehrzylinder motoren ein e ande re Bauform (2. B. V-Moto r)
und größ eres Hubvolumen aufweise n a ls Motoren mit kleine n Zylinder zahlen ( Einzyli nde r-,
Reihenmotor). Aufalle Fälle fuhren mehr Zylinde r zu mehr Bauteilen.
600
~ 500
...." 40 0
o
5300
•
•
a: 200
" 100
1415161118
[ 1000 min "l
400 ~
300 ~
•
•
200 !
100 e
c
Bild L-14
Leistungsverg leich von 3.0 -1 Fo r m el -l -Sau g -
motoren (2. Generation 1995). nach [L02].
Der tz -zynroe rmotcr ist be i sehr hohen
Drehzahlen leistungsmäßig im Vorteil, dage -
gen weist der 8-Zylinde rmotor den günstigs -
ten Drehmom entverlauf bei nied rigen Dreh-
zahlen auf.
Führt man eine ungcwichtctc Bewertung fürj -l-Saugmotorcn an drei inFragekommenden
Zylinderzahlen durch, gehl der Vlü-Zylindcr als bester Kompromiss her vor, Tabelle L-I .
Tab . L -1 Bewertung von drei Zylinderzahlen an a- f-v -Motoren [L02].
Kriterium
V8
VlO
V12
Leistung
2
3
Drehmoment
2
3
2
Einzelzylindervolumen
2
3
2
Anzahl der Bauteile
3
2
Abmessungen
3
2
K rattstonverb rauch
3
2
Schwerpunkthöhe
2
3
Schwingungen
2
3
Punkte summe
16
18
16
Wertung (Punkte) : 1 - schlecht. 2 - mittel, 3 - gut
Kraftstoff [uel, Eine weitere Überlegung ist die Qualität des Kraftstoffes. Davon Ist die
Verdichtung abhängig bzw. der Hubraum kann bei selber Leistung variiert werden.
5281
2 Motor enwahl
Rennmotoren sind fast ausschließlic h Ot tom otoren . Eine Aus na hme bilden Rennt rucks
und Off-Shorc-Bootc. Dieselmo toren erreichen ihre durch die Brenngeschwind igkeit
begrenzte Höchstdrehzahl schon bei etwa 500n min -I
. Gc naucr gesagt ist der Zü ndverzug
zw ischen Einsp ritze nde und Verbrennungsbeginn die Ursache . Der Zündverzug ist beina-
he kons tant und von der Drehzahl unab hängig. Bei steige nder Drehzahl wird also einmal
ei n Wert erreic ht. bei dem der Zündverz ug keine Zeit mehr für ein e brauchbare Verbren-
nung zul ässt. Zur Leist ungsste iger ung bleibt demnac h praktisch nur noch ei ne Steiger ung
des Mitteldr uckes. Bei den 500-Mei len-von- lndia napolis ware n Diescl-Re nnfahrze uge am
Start (1931. 1934 und 1(52) [Ll9]. Mittlerweile w urde. wie auch in anderen Renn klas sen.
das Reg lement geä ndert. In der Formel I beisp ielsweise sind Diesel motoren verbote n. Bei
Tourenwage n und Rallyes konnten in j üngere r Zeit d ieselget riebene Fahrzeuge auf sich
aufmerksa m m achen. Ein ncucs Betätigu ngsfeld ergibt sich bei Langstrecke nrenne n der
Spo rt prototype n in Lc Mans. Dieselm oto ren können se it 2004 an den St art gehen. 2006 war
ers tm als ein Fahrze ug mit Dieselmotor Gesa mtsiege r (Audi RIO ).
Heide Brennver fahren biete n Vorte ile. die Übe rlegungen z u de ren Einsatz lohnend machen .
Tabelle 1., -2 g ibt einen g roben Überblick.
Ta b. L· 2 Vergleich prinzip ieller Eigenscha ften von Otto - und Dieselmotoren.
Eigenschaft
L
Leistung
Drehmoment
Verbrauch
Kost en
Abgasem issionen
o
o
Legende :
+ pos itive Eigenscha ft . Vorteil
-
n eg ative Eigenschaft. N achteil
o m ittel. d . h. kein ausgeprägter Vor- bzw. Nach teil
Der K raftstoffve rbrauch kan n also auch bei Rennmot oren durchaus ei n entscheidendes
Krite rium darstelle n. Fahrze uge mit geri ngere m Verbrauch bra uchen bei g leichem Tank
weniger Boxenstopps (Le ngstrcckc] oder sie kön nen m it ei nem klei neren Tank (= leichteres
Fahrze ug) fahren (sch nelle re Rundenzein . Zwei Zah lenwerte zu m volu met rischen Kraft-
stoffve rbrauch von mehrspu r igen Rennfahrzeugen. 46 11 100 km (3.6 I V8 Biturbo , Dito 01.
Fahrzeug suu kg) [L20] und etwa 60 1/100 km (3,0 I VIO Duo Sauger, Fahrzeug 600 kg)
[L21]. Diese Werte t rete n im Renneinsatz durc h die entsprechen de Fahrweise auf. Die
spezifischen Werte sind durchaus günstig, z. B wu rden in de r Formel I mit aufgeladenen
1,5· I· Motoren 258 g/kWh er reicht [L02].
lI ilfsa~~re~ate ancillaries. Sämtliche Komponenten der Motorperipherie (w asscrpumpcn,
Ölpumpen. Krafts toff pumpen, Abscheidesysteme. Generatoren. A nlasse r...) sollen modu -
lar aufgebaut und angeordnet werden. Das erleichtert die Wartung sowie Inspektion und
reduzie rt im Falle eines erforderlichen Teilewechsels den Zeitau fwa nd. Ein hohe r Integr at i-
onsgrad von Komponenten reduziert darüber hinaus die Anzahl von Anschlussstellen und
er höht dam it d ie Zuver läss igkeit des gesa mten Agg regats du rch Vermeidung von Montage-
fehlern und Undichtigkcitc n im Bet r ieb.
1529
L Rennmotoren
Ersatzteile, S er vice xpare parts. service. Ren n motore n haben eine a ngepass te Lcbc nsdau-
er, die von wenigen Minuten bis über 24 h reichen kann. ln jcdcm Fall müssen die Motoren
regel mäßig gewartet werden , was meist Aufgabe von Spezialisten ist. In einigen Fällen wer-
den die Motoren verplombt ausgeliefert und der Motorenkunde darf ih n nicht zerlegen. Bei
de r Wahl des Motors wird also a uch ei ne Überlegung sein, wie gu t d ie Betreu ung des Moto-
re nliefera uten ist u nd welche Se rviceinterva lle eingehalten werden müsse n.
3 Verluste Lasses
Die Umwa nd lu ng chemischer Energie in mech a nische im Verbrennu ngsmoto r ist vcrlustbc-
hafte t. Je geringer diese Verluste. desto höhe r ist die Leist ungsausbeute bei gege be nem Hu b-
rau m . Betrachtet ma n einzelne Prozesssc h ritte. so lasse n sich Verbesse ru ngsmaßn ahmen
gezielter erarbeiten. Die Güte ei nzelne r Sch ritte wird d u rch Wirku ngsgrade besch rieben .
Der volumetrische Wirk ungsgrad tvolumetric effictencys ist ei n Ma ß für den Luftdurch-
sa tz pro Zeiteinheit durc h de n Mot or.
De r t hermische Wirku ngsgrad (rhermal ejjicien ey) besc hrei bt d ie Effiz ienz m it de r d as
Kra fts toff-Lu ftgemisch geb ilde t u nd wä rmefre ise tzen d verbrannt wird .
Der mech an ische Wirku ngsg rad (meehanical ejfidency ) schließlich ist ein Maß für den
Energie a nteil der bei der Umwa nd lu ng der Verbrenn ungswä rme als Ar beit de r Kurbel-
welle übrig gebliebe n ist.
Die Red uktion von all diesen Verlusten gehö rt z u den elementa ren Arbeite n bei de r Ent-
wick lung eines Mot ors und insbeso ndere eines Renntriebwerks.
Kenn feld mup. Derindizierte Wirk ungsgrad eines Moto rs m it äußere r Gemischbildung u nd
Fremdzünd u ng fallt vor alle m im u nte ren Ken n feldbe reich ab . Bild L- 15. Die Ursachen s ind
sowohl im Gütegrad d er Verbren n ung (zu ger inge Turb ulenz . zu geringe Lad ungsd ichtc ) als
a uc h im u ngü nstigst en Gaswechselwirk ungsgrad zu s uchen . De r in diesem Kennfeldbe reich
u ngünst ige mechan ische Wirk ungsgrad beding t e ine weitere Verringerung des effektive n
Wirku ngsgrades. A lle Maßnah men . die geeignet s ind diese u nteren Ke n n feldbereiche zu
verme ide n, ve rbesse rn so m it den Gesa mtwirk ungsgrad des Motors.
Hä lt man be ispielswe ise Motorle ist ung u nd Hubrau m fes t. so bewirkt ei ne Senkung de r
Nen nd rehza hl eine Steigerung des Mitt eldru cks . Diese Steige rung des Mit teld r ucks b ewirkt
ei ne Verbesse ru ng d es Gütegrades u nd de s Gaswechselwirkungsgrades. Zudem w ird der
Reibmitteldruck (mec hanische Verluste) verr inge rt u nd d am it der mecha nische Wirku ngs-
grad verbesse rt, Bild lA 6.
Bild L·15
Verlauf des indizier ten W irkungsgrades eines Ottomotors
m it Drosse lregelung über Last und Drehzah l.
Den besten Wirkungsg rad erreicht ein Ottomoto r bei hoher
Last.
530 I
3 Verluste
L
Bild L·16
Abhängigkeit des Verlust-Mitte ldrucks
von der Motorerenzent nach !L04].
Die We rte stammen von einem S-I-Otto-
motor, Pe - 130 kW - konst.
Ein steigende r Auflade grad lässt den
effektiven Mitt eld ruc k steigen und die
salbe Leistung kann bei einer geringere n
Nennd rehzahl erreicht w er d en. Die Ver-
lus te nehmen da bei ab.
Pm,e Mitteldruck
---i
5000
,
---1
--
11
300 0
Drehzahl
.__ .j
10
12
13
14
1,5
~
o,
i;1,3
~
•
•
.~1,2
E
•
•
.::1,1
<
~
1 , 0 -F-" '-----i ------r-----... ;-_..
2000
Bild L· 17
Einfluss des Hu b-Bohrunqsverhält-
nisses auf d ie Reibungsverl us te be i
einem 4-Zylinder Ottomoto r, nach [LO?].
Mit zunehmendem Hub -Bohrungsver-
hältnis nimmt der Reibmitteldruck ab.
:--f - -.
i
._-
,_.._._-
--- ---~
L
~1,50
1.75 -_._
~..-
U
-
(/8=O,~ - ---1
,
I
,
I
I'
~'---;
:
:
;1,2
1,0
2,0
Hub VOl umen
3,0
[1]
4,0
Hub -Bo hrungsvcrhättnts . Auch das Hub-Bohr ungs verh ältnis slB zeig t einen Einfluss.
Ein großes Hub-B oh ru ngsverhältn is bew irkt ei ne Reduzier ung der Reibungsverluste. Ursa -
che ist vor alle m d ie Red uzier ung der Drehzah l. weil einerse its die wi rkenden Mas senk räfte
die Auslegung der Bauteile maßgeblich bestimmen, andererseits das Schergefälle im tren-
nenden Schmierfilm zwischen den Reibpart nern abni mmt.
Retbu ngsa ufteüu ng friction split. Schleppleist ungen werde n am Motorprüfstand gemes-
sen. Die Öltcrnpcrarur wird aus Vergleichsgründen auf ca. 120 "C eingestellt. Bei geschlos-
sener Drosselklappe ist die Schleppleist ung g rößer, als bei geöffneter. we il die Drossel ver-
luste größer sind. Die absolute Verlustlcistu ng ist umso größer, je größer de r Hubra um und
die Zylinde rzahl sind. Kleine au fgeladene Motore n wei sen eine deutlich klein ere Schlepp-
leist ung auf als größere, mehrzylindrige Saugmotoren.
Det ailliert e Analysen der Schleppleist ungen von Motor en ergeben d ie A ntei le einzel ner
Baugr uppen an der Reibleistun g. die im Motor als Wärme und Verschleiß für die Netzleis-
1531
L Rennm otoren
100
__ __
..i
.i
1000 2000 3000 4000 5000 6000
Drehzahl n. Imi n" ]
Ku rb elwelle
Bil d L· 18 Auf teilung der Reibungsverlus te im Ottomotor, n ac h [L08].
tung verloren geht. Die typischen Auftc ilungcn sind bei allen Moloren ähnlich. ega l ob Renn-
oder Se rienmotor. Die Untersc hiede sind in der Größenordnung der Ab solut werte zu finde n.
Rennmoloren hilben wesentlich ger ingere Verluste [L02]. Den größten A nteil weist die Kal -
bengru ppe mit bis über 40 % auf, Bild L- I8. Einen deutlichen Anteil hat auch der Vcntiltricb
im unte ren Drchzahlbcrcich. Die Vent iltr iebsre ibung setzt sich bei konventionellen Tassen-
stöße lventilt rieben zus am men a us de m Reiba nte il de r Nockenwellenlager. de r Ventil- und
Stößelfü hr ungen und dem Reibante il des Gleitabgri ffs im Kontaktbereich Nocken und St ö-
ßcl. Dabei hat letzterer den weitaus größten Anteil (> 50 %) im Ventiltrieb. Einflussparameter
sind die Kontaktk raft und die Relativgeschwind igkeit z w ischen Nocke n und Stö ßel.
Vergleichswe ise ze igt Ta belle L-3 d ie Auft e ilung de r Verluste e ines Fonncl-l -Aggrc-
grats. Zusätz lich kan n die Verwindung des mittragenden Motors beim Beschleu nigen zu
einem Leistungsverl ust VO ll bis zu 50 kW führen.
Tab . L ·3 A u/teilung der Verluste eines Formel~1 3~ I -V:ilOc~cMcOctOctc,"[lcOC3"1.
---.
Baugr uppe
Anteil
Baugrupp e
Anteil
Kolben, Ringe
15%
Ölpumpen
13%
Lager. Kurbelwelle, Nockenwelle
30%
Pulsa tion
22%
pneumatische Vent il/eder
10%
Einspritzpumpe
6%
Wasserpumpe
2%
Ben zinpumpe
2%
Summe -
100 %
Reibung im K urbe ll r ieb crankrrain frictkm . Durch d ie not wend ige Abdichtung des Kol-
bens. seine genaue Einpass ung sowie die Umsetzu ng der hin- und hergehenden Bewegung
in eine rotie rende mittels Kurbeltrieb entsteht der Haupta nteil der Reibleist ung.
Lange Pleuelsta ngen und Kolbenri nge mit geri nger Vorspan nung u nd große Bohru ngen
bei kleine m Hub wirke n hie r pos itiv. G ut s ind auch spezialbeschichtete und möglichst ru nde
3 Verluste
Zylinder. Kolben mit nur zwei Ringen haben sieh bei Formel -I -Motoren längst durchgesetzt.
Durc h d ie Versc hra ub u ng m it d em Zylin derkopf deformieren sic h die Lautbuchsen und b il-
de n im Q uerschnitt je nac h Schraubenanza hl Kleeb latt for men oder äh n lic hes a us. Sorgfäl-
t ige Gestaltung de s Sch ra ubverb andes hilft diesen B uchse nverzug klein zu halte n.
A uch in den Lagerstellen e ntstehen Reibverluste. Dab ei is t d ie Anzah l u nd Dime ns ion
der Lager wichtig. Je weniger Lager und je kleiner im Durchmesser, umso besser. Des-
halb sind. ganz abgesehen von der Baulänge. V-Motoren günstiger als Reihenmotoren. So
besitzt e in Sechszylinder V-Mo tor n u r vier Hauptlage r. ei n Vierzylinder Reihe nmoto r hi n-
gegen filnf Erst der Achtzyli nde r V-Motor hat wieder so viele Hauptlager wie der Vierzy-
linder Reihen motor. Zählt ma n die Pleuellager hinzu. hat ei n Sechszylinde r V-Moto r nur
eine Lage rstelle (10) mehr als ein Vierzylinder Reihenmotor (9). Da beim MOlO r mit der
größeren Zyli nderzahl d ie a uf die einzel ne Lagerstelle wirkende Kraft k le ine r ist . können
d ie Lagerd urc hmesse r k leiner gewä hlt werden. Übertriebenes Verklei nern schadet jedoch
sowo h l der Tragfähigkeit als auc h der Festigkeit der Kurbelwell e [L021.
Dichtungen a n den Welle ndurchtritten a us de m Ölra um des Kurbelgehäuses verurs ache n
ebenfalls Verluste. Diese sind ba uartbedingt und dr ehzahlabh ängig. Bei 11000 min - I wer-
den so bei einem 3·I·Motor etwa 3 kW von Elastorncr-Dichtringcn aufgenomm en [L27).
In den ]9XOer Jahre n gab es t at sächlich Formel-l -Motoren, d ie ein Baumwollgeflecht zur
Abdichrung der beiden Kurbelwellene nden ei nsetzten. Bei alle n Nachteilen, waren de re n
Rei bu ngsverlus te ext rem gering [L17 ].
Reibung in Vent iltr teh \'(//W! truinfriction . Je schwere r die Ventile. je höher die Vcntilfc-
dcrkräftc. umso höher auch die Verlustleist ung. Die Verlustleist ung nimmt mit der Drehzahl
zu. Zwei Nockenwellen mit vie r Ventile n p ro Zylinder hab e n eine höhere Verlust leist ung als
eine Nocke nwelle mit zwei Ventile n. Diese höheren Verluste nimm t man abe r in Kau f, weil
andere Vorte ile überwiegen. Mit konventionellen Materialien und Tech nologiert stößt man
beim Ventilt rieb relat iv bald an ei ne Grenz e, die in etwa bei 13 500 Umdrehu ngen pro Minute
lieg t. Die .Lcistungscxplosion'' bei den 3, 5 u nd 3,0 Liter- Formel l-Sa ug motore n der letz ten
Jahr e war nu r übe r eine deutliche Erhöh ung der Drehzahlen möglich. War bei den 3.0 Liter
Form d- I -Sa ugmotoren der ers ten Ge ne rat ion sc hon bei ca. 13000 min- ! d as Drehvermögen
zu Ende. drehen die ab 1995 verwendeten 3.0 Liter Saugmotoren bis knapp <ln 18000 mir r'
heran (vg l. auch Bild L-l ). Diese eno rme Drehz ah lsteigeru ng w urde im Wesent lichen durch
zwei Maßnahm en erreicht: Erstens Einsatz vo n Titanventilen. die erheblich leichter sind als
die bis dahin verwe ndeten Ventile aus Stahl - Titanventile werden sowoh l au f de r Einlass-
ais a uch auf de r Auslassse ite verwendet. Zwe ite ns Einsatz von p ne umat isc hen ventilfe dern.
die nicht nur weniger Antriebsleistu ng verlangen. sondern auch extreme Öffnun gs- und
Schließrampen erlaube n. Die stark verg rößer ten Öffnungsq ucrsc h niuc der Ventile si nd ein
wichtiger Beitrag z u der höheren Literleistu ng der letzten Jah re.
In Relat ion z ur Maximalleistu ng ist mit diesen ncucn Tcchnolog icn auch die Ant riebslei-
stung für den Ventilt rieb deutlich gesu nken.
Verlus te d u rch Pumpen lOH due 10 pUfllpS. Auch die für den Antrieb einer ei nzelnen oder
meh rere r Wasserp umpe n not we ndi ge Leist ung fehlt in der End ab rechnung der Motorleis-
tung. Dasselbe gilt für die Ölabsaug- und Öldr uckpumpen. Davon gibt es bei Mehrzylinder-
re nnmotoren meh rere. we il im Kurbelgehäuse heru mflie gendes Öl die freie Beweglichkeit
der Kolben. Pleuel und rotierenden Teile bei hohen Drehzahle n behindert.
L
1533
L Rennm otoren
Heute verwendet man bei Rennmotoren pro Kurbelgehäu sekammer je eine Absangpumpe.
die seitlich um Kurbelgehäuse in einer Linie mit den übrigen Pumpen angeo rdnet ist und
praktisch von einer gemeinsamen durchlaufenen Welle angetrieben wird. So besitzt also
z. ß . ein Zeh nzylinder-Motor fünfdieser Pumpen. die das abgesa ugte Öl in den Trocken-
sumpftank zur ückbeförder n. Eine weitere Pumpe - die Druckp umpe - saugt Öl aus dem
Trockensumpfbehälter an, bringt es auf den richtigen Druck und versorgt so alle wichtigen
Lager- und Sch mie rstelle n des Motors.
Verluste d urch Pulsationen pumping tosses. Ein überraschend großer Teil der erzeugten
Leistung kann auch im Kurbelgehäuse durch Pulsationen entzogen werden. Zu Pulsationen
kommt es, weil die Kolben mit ihrer Unterseite die im Kurbelraum vorhandene Luft hin
und her schieben, te ilweise verdi chten und wieder expa ndiere n. Bestimmend sind d abei die
Bauform des Motors und die Bewegu ngen. die nebeneinander- ode r gegenüberliege nde Kol-
ben ausführen. Bei ungü nstigen Bauformen. wie sie etwa Boxermotoren au fweisen, führen
zwei gege nüberliegende Kolben immer eine gegenläufige Bewegung aus. Die unterhalb der
Kolben befindliche Luft wird dadu rch laufend komprimiert und expa ndiert. Das Motoröl
wird dabei stark mit Luft vermengt, was seine Schmierfähigkeit schmälert und bei hohen
Drehza hlen zu beso nde rs hohen Öltcmpc ratu rcn führt. Für flache Rennmoto ren ist die
limo V-Bauweise, wie sie Fcr rari bis zurTurboära de r For mel I (19RO) gebaut hatte, besser
gee ig net. Hier füh ren gege nüberliege nde Kolben im me r eine gleichla ufende Bewegung aus.
Damit wird das Volumen der Luft nicht mehr laufend verändert, sondern die Luft wird nur
meh r hin und her geschobe n. Besonders gut für die Ölabschcidu ng und geringe Pulsarions-
ver luste sind stehende oder leicht schräg ei ngeba ute Reihenmoto ren ode r auch V-Motoren
mit Gabelwinkeln von 6()0 bis 90°.
Die drehende Kurbelwelle ver ursacht auch Verluste durch Luftreibung. Geschlosse ne
kreisförmige Kurbelwangen sind dabei günst iger als Kröpfunge n mit ausgeprägten Gege n-
gew ichten. Die Wangen werden bei hochd rehenden Motoren darüber hinaus aerody namisch
günst ig gefor mt (siehe auch Kurbeltrieb).
Ver luste du rch Neben aggr ega te ancillaties lasses. Verluste werde n auch dur ch mechani-
sche Einspritzpump en und Lichtmaschine n veru rsach t. Muss der gefo rdert e Einsp ritzd ruck
über elektrische Benzinpumpen bereitgestel lt werden, ist der Wirk ungsg rad beso nders
schlecht. Es mussja zunächst Strom über die Lichtmaschine bereitgestellt werden. der dann
in der Ben zinpumpe in Druck ..umgewandelt" wird. Da beides mit Verlusten verbunden
ist, wird eine mechanische Benzinförderu ng bevorzugt, die meist vom freien Ende einer
Nockenwelle a ngetrieben wird. Die weiterhin vorhande ne elektr ische Benzinp ump e wird
lediglich für den Start und für langsa me Fahrt gebraucht. Hat der Motor eine Drehzahl
von ca. 4000 min - t überschritten, liefert die mecha nische Pumpe so viel Kraftstoff. d ass
die elektr ische vom Fahrer abgeschaltet werden kan n. um das schwac he Bord netz nicht zu
überfordern . Ist der Motor ein mal abgesto rben, darf de r Fahrer nicht vergesse n, die Pu mpe
wiede r einzuschalten.
Verluste entstehen auch im Antrieb der Hilfsaggregate. Zahnriemen sind dabei besser
als Keilriemen. am besten ist es aber, den Motor so zu konstruieren. dass der Antrieb direkt
von den Nockenwellen oder auch von schon vorhandenen Übertrag ungszahnrädern erfolgen
kann.
5341
4 Baugruppen
L
Das Bemühen, Zusatzaggregat e klein z u halten und aufStrom als Energieträger so weit wie
möglich zu verzichten, erke nnt man auch bei m A nlasse r. Auf die schweren elektr ischen
Anlasse r, d ie auch noch ei ne groß e Batterie benötigen . wird bei Formel-I -Motore n heute
gänzlich verz ichtet. Starten ist nur an der Box möglich. Man bevorzu gt Druckluftanlasser,
wobei die ben ötig te Energie in For m von komp rimierter Luft in Druckl uftflasche n be reit-
gestellt wird [L02].
4 Baugruppen M odules
Die Konstru ktion eines Motors beginnt üblicherweise mit e iner (mitt leren) Zylinde reinheit .
Der maximal e Hubraum wird vom Reglement vorgegeben. Die An zahl der Zylinder erfolgt
nach den obigen Überlegungen. Daraus folgt unmittelba r das Zylindervolumen . Das Hub-
Bohru ngs verhältnis und damit diese beiden G röße n werden mit Bedacht auf die maxima-
le Kolbenge schwi ndigkeit. die Ne nndreh zahl und die Brennrau mform gewählt. Nach de m
Festlegen we ite re r Hauptabmes sungen (Zylm dc rabsta nd . Ban kwi nkc1 bei V-Mo toren. Kom-
pressionshöhe des Kolbens) beginnt bereits die Konzeption des Zylinderkopfs. Der Zylin-
derabstand soll möglichst klei n sei n. weil dan n der Mot or kurz und die Kurbel welle s teif
sind. Dem steht entgegen. dass im Steg zwischen de n Kolbenlaufb ahnen Kühlbohrungen
an gebracht werden sollen und das d ie Zylind erk opfdicht ung die Umfan ge beider be na ch-
bar ten Bre nnräum e e infass e n m uss. Ven tilwinkel. Ka nalwinkel. Brennrau m und Ventiltr ieb
best imme n neb en der Kühlung ma ßgeblich die G est alt des Zylinderk opfs. A n maßgeblic hen
Größen fehle n nun nur noch die Pleuellänge. der Gegengewicht sradius und bei V-Motore n
der Bankversatz . Bild L. - 19.
z
•
I
I
•
Zy Vnder ab stand
~B
t11I
i
"-1"' -
,
Bil d L· 19 Hauptabmess ungen eines M ot o r s main dimensions.
B Boh rung bore
h pi Kompressionshöhe des Ko lbens compression height
s
Hub strake
M pi Austa uchmaß des Kolbens piston standout
r
Kurbe lrad ius crank radius
RGegengaw.cm Gegengewichls radi us counterweight radius
'Ad Pteuenänqe covca length
tzz Stegbreite zw ischen Zyl. land width between cylinders
Iz Buchsenlänge liner length
Zylinderabstand eylinder spaeing
12 Scha ft länge des Kolbens skirt length
Blockhöhe crankcase height
1535
L Rennm otoren
Bei der Fcstlcgung der Pleuell änge orie ntiert man sich am Stangcnvcrhält nis:
A. Rd
(Pleuel-[Staugcnvcrhält nis l-l
Kurbelr adiu s. also der halbe Hub [Olm]
Pleuellä nge (Stich m uß) (Ol m]
Da primär osz illierende Massenkräfte die Laufruhe beeinflussen , wi rd in [UO) basie rend
auf deren Größe ein Ausleg ungsbereich für Plcucllängcn abgesteckt. Bild L-20. Für unter-
sch iedliche Blockhöhen wird Jas Stangenve rhältnis variiert. Man erkenn t. Jass es ein Stan-
genverhältn is gibt. für das die oszillierende Massenkraft minimal wird. Dieses liegt für
Rennmotoren allerdings außerhalb des brauchbaren Bereichs.
Oben:
Unten:
Die Grenzen für den Auslegungsbereich ergeben sich durch folgende Extreme:
Links: unte r )-R<l = 0,2 wird die Bohrung zu groß (innerer Wirkungsgr ad und Brenn-
wege) .
Rechts: ÜberARd = 0,32 wird der Kolbendurchmesser zu klein. Die Gegengew ichte an de r
Kurbelwel le zu m Ausg leich der oszillierenden Krä fte werde n unvorteilhaft groß.
Die Blockhöhe wird zu klein und das Pleuel zu kur z.
Block zu hoch. Komp ressionshöhe des Kolbens wird zu klein.
Die Eckpu nkte des Ausleg ungsbereich s stel len folgende Ausleg ungen dar :
k Ungünstige Ausleg ung: Kolbend urchmesser und Komp ressionshöhe so groß. dass trotz
kurzen Pleuels die oszi llierenden Massenkräfte unnötig groß sind.
B: Schlechte Auslegu ng: Hub und Kompressionshöhe zu groß .
C: Leichter Kolben. noch günstige Kompressionshöhe. jedoch Hub-Boh rungsverhältn is so
ungü nstig (sI B = 1.35), dass die mittle re Kolbengeschwindigkeit die Drehzahl begrenzt.
D: Typischer Rcnn motor: Leichter Kolben, niedrige Kompressionshöhe (0,33 B), kleiner
Hub «sI B = 0,54) und langes Pleuel. Erlaubt höchste Dreh zahlen trorz großer Bohrung
(günstig fü r große Ventilöffnu ng).
Die Länge der Laufb uchse Iz wird so gewählt, dass der Kolben im unt eren Totpunkt nicht
mehr als 15 % seiner Schaftlänge /2austaucht. Der maximale Gegengewichtsradius der Kur-
belwelle wird bestimmt durch den Freigang des Kolbens beim Durchlaufen des untere n Tot-
Bild l -20
Auslegungsbe reich von
Pleueltänqen. nach [L30].
Die Änderung de r Massenkratt
ist aul einen gete renzwert be-
zogen. Die Ausleg ungsdaten
dieses Werts entspre chen el-
nem Serlenmotc r: ere - 1 und
ÄRd - 0.28.
Der bevo rzug te Aus legungsbe-
reich ist schratfiert dargestell t.
wobei der Punkt 0 typisch für
schne lllaufende Rennmo t oren
ist.
0,35
0,2
0,25
0,3 0 ,32
Pleuel stangenve r h Al tni s ~~ [ -1
g'·30
,
L
~ -40
0
',-' -5
-
-
-
-;...-
-
-
--- ; ---;-
-
-
...;--
-'--
-
--- ;-
'.
4 Baugruppen
punktbcrci chs und durch die Größe des freien Kurbelraums. Bei hochdrehenden Rennmo-
toren wird ein zylindcrförmigcr Kurbelraum bevorzugt. DerGegengewichtsradius hat seinen
Einstechpunkt dann genau auf der Kurbelwellen achse. Bei Serienmotoren muss das nicht der
Fan sein. Das Kurbelgehäuse umschließt den Kurb eltrieb und stellt einen Teil des Kühlman -
telsdar. Der Ba nkve rsat z an V-Motoren wird bei Kurbelwel len ohne Zwis ch enwange nu r von
der Pleuelfußbreite besti m mt. Diese wiederu m wird diktiert von der Lagerschalenbrei te und
der Festigkeit des Lagerdeckels. Klei nste Wert e von Formel-I-Motoren liegen bei 12 mm.
Der Ventiltrieb kann am vorderen, am hinteren Ende oder seltener auch in der Mitte de r Kur-
beb..-cllc angeordnet se in. Die Verlegung der Röh renwerke ( Einla ss-, Abgassysrcm ) sowie die
Verrohrun g (Kühl-, Schmiermittel) und Vcrschlau chung (Kühlung, Kraft stoffsystem. Luft
fü r Ventilfede r) komplettieren da s Aggre ga t. Wesentliche Ziele sind neben der unfraglichcn
Leistung und dem Drehmoment, Kompakthcit (niedrige Bauhöhe) und geringes Gewicht.
Bei Langs tre ckenmotoren ve rschaffen abge st im mte Haftba rkeit und ger inger Kraft stoffver-
brauch ebe n fa lls Wett bew erbsvorteile.
Ein typischer lü-Zylindcr Formel-l -Motor (Jcl-Saug moror) bestand aus ru nd 3000 Tei-
len, davon 900 beweglichen . Im Folgenden soll aufeinzelne wichtige Bau gruppen und der en
Besonderh eiten eingegangen werden.
4.1 Zylin derkopf Cyünde r head
Der Zylinderkopfist das leist ungsbesti mmende Bauteil ein es Motors. Er beherbergt wcscnr-
liehe Teile de s Lad ungswechsels und der Kühlung. Außerdem bestimmt er den Teil des
Brennraums m it der Zündei nri chtung. Bei direk tein spritzenden Motoren wird im Zylinder-
kopfauch das Einspritzventil untergebracht (das gilt unab hängig vom v crb rcnnu ngsvcrfah-
rcn, also fürOtto- wie für Dieselmotoren).
Das motorische Verhalten wi rd in erster Linie von derVerbre nnung bestimmt. Diese wie-
derum hängt im Wesentlichen von der erre ichbare n Flammgeschwindigkeit und dam it der
Brenndau er ab. Die Verbrennung läuft in mehrere n Phasen ab. Die erste Phase wird beim
Ottomotor durch den Zündfunken eingeleitet und heißt Entftammungsphase. Sie ist nur von
der Ge misc hzusammenset z ung abhängig und da uert eine be stimmte. unveränderliche Zeit-
spanne. den so genannten Zündverzug (igniriofl delay v. Das bedeutet. dass mit steigender
Motordrehzahl und bei festgehaltenem Luft-Kraft stoffverh ältnis wenigerZeit für die zweite
Phase . d ie eigentliche Verbre nnung, bleibt. Die Brenndauer wird hauptsächlich durch die
Geschwindigkeit der Flammenausbreitung bestimmt. Diese so genannte Brcr mgcschwindig-
kcit wird durch Turbulenzstärke und Temperatur verlaufi m noch nicht verbranntenGemisch-
anteil besti mmt. Sie ist am größten bei einem Luft überschuss von etwa 10% (vgl. Bild L-3)
und bet rägt bei normaler Verbrennu ng 20 bis 40 m/s. Die Turbulenzstärke im Brennraum
genauer in de r Flammfront kan n durch Gestaltung der Einlassorgane (z. 8. drallerzeugende
Kanä le). die Brennraumform (z. B. m it turbulenze rze ugenden Ab risskantcn} und die Aus-
nutzung de r Kolbenbewegung beeinflusst werden. Im letzteren Fall wi rd das Ge misch aus
dem sich verenge nden Spalt zw ischen dem sich nähernden Kolben- und Zylinderkopfboden
in Richtu ng Zündkerze gedrückt (Quctschströmung). Eine Turbulenz kann abe r auch durch
die Flammausbreit ung selbst und die damit verbundene Drucks teigerung generiert werden.
Sie ist in j edem Fall von den Motorpa rametern Verdichtung, Ansauglufttemperatur und
D rehzahl ab hängi g.
L
1537
L Rennm otoren
,
,
----1-
-
-
B ild L-21
Zylind erkopf Formell (Ford
Cosworth DFV 3.0 I ve . 1980).
Zylinde rkopf eines Saugmo-
tors mit vier Ventilen pro Zylin-
der. Dieser Motor ist de r Weg -
berei ter der hochdrehenden
Rermrnctoren . Ein kle ine r Ven -
titwinkel führt zu einem sch-
ma len, jedoch relativ hohen
Zylind erkopf. Der Brennraum
i st dachförmig .
Zum Erreiche n eines hohen Wirkungsgrads müssen kurze Brenndauern also hohe Brenn -
geschw indigkeiten angest rebt werden. Weilers ist di e richtige Lage des Verbrennungsver-
laufes bezogen auf die Kolbenbewegung wichtig. Der Schwerpunkt der Verbrennung sollte
zw ischen 5 und 15° Kurbelwin kel nach dem oberen Totpunkt liegen. Eingestellt wird die
Lage dieses Schwerpunkts mit dem Zündzeitpunkt (Zündwinkcl).
ve ntilanza hl, Vent ilwink el numher ofvatves, \'(// 1'(;' angle. Im Zylinderkopf wird ein Teil
des Brennraum es dargestellt, der zweite Teil wird durch den Kolbenboden gebildet. Für die
Gestalt des Brennraums sind zunächst die Zahl und die Anordnung der Ventile aussc hlag-
gebe nd.
Zunächst ist das Durchmesserverhältnis von Ein- zu Auslassventil interessant, Ta belle
L-4 , dann wird versucht möglichst große Ventile im Brennraum anzuordnen.
Tab . L -4 Relative Vent ilg rößen .
de/B
dA/B
deld A
0,43 -0,46 0 .35 -0.37
1.25
0,48 -0,5
0,41-0,43
1.10
0,40 -0,41 0 ,38-0,39
1,05
0,35 -0.37 0 ,28-0,32
1,17
0 ,32
0.3 0
1.08
freisau gend Dach
aufgeladen
Dach
aufgeladen
4
Halbk ugel
Vent ilel Zyl ind er Lultzul uhr Brennraum
2
fr eisau gen d Keil
-----'-----'-----'-------
Legende: B Boh rung , d e Einlassventildurchmesser. dA Austassvemncurchrnesse r,
5381
4 Baugrupp en
L
Bild L·22
Einfluss de s Gesamtvent ilwin-
kels auf die ve nnmäcnen [L0 2].
Dem Diagramm liegen folgende
We rte zu Grunde:
Boh rung 80 rnm
Einlassven ti ldu rchmesser -
1.15 x Ausl assven ti ldu rchme s-
ser.
Der prinzipielle Verlauf ist jedoch
fü r alle bra uchba ren Größenver-
hältnisse von Ven tilen gleic h. De r
Gesamtventilwinkel ist der Win-
kel. den Ein- und Auslas sschält e
e inschließe n.
80
20
40
60
Ge samtvent ilwinkel [ 0]
o
23
_
21
"e
~ 19 i=::=j,~==±==~~J
Mit steigendem Lufta ufwand steigt d ie Motorleist ung (vgl. Betrac htung en Abschnitt 1).
deshalb ist eine möglichst g roße Venti löffnu ngsfläche anzu str eb en. Nicht umsonst gehen
zahlreiche grundlegende Studien der Frage nach der besten Ventilzahl ode r Brcn nraumform
nach , z . B. 1L36]. Die Vent ilfläche wird besti mmt durch den Bohrungsdurchmesser. den
Dachwink cl des Brennrau ms und durch di e Anzahl de r Ventile. Den Einfluss des Dachwin-
kcls zeigt Bild t-ll für Zwe i- und Vicrvcntilc r. Die Ventilfläc hen des Zweiventilmotors
nehmen mit de m Ventilwinkel stark zu. Über 6Ro Ventilwinkel hat der Zwe iventiler soga r
meh r Ventilfläche als der Vierventiler. Die Stärken des Vierventilcrs liegen bei kleinen Ven-
tilwinkeln von 0° bis 4 ()0. wo er etwa 25 bis 30 % mehr Ventilfläehe hat als der Zweiven-
tilc r. Hinzu kommt die bei kleinen Ventilwinkc1n günstige Bren nraumform. Bild L-22 zeigt
somit. warum es nicht sinnvoll ist. vicrvcnrilcr mit zu großen Vent ilwinkc1 n zu bauen und
wa rum ma n früher Zwei ventile r mit großen Ventilwinkc1n bevorzu gte.
Eine Steigerung der Ventilzahl bringt nur begre nzt den zu erwartenden Erfolg. Das hat
meh rere Gründe. Zunächst sind die Ventilöffnungen Kreise und meh rere können so die
Bohrung nie vollständig abdecken. Darüber hinaus muss zw ischen den Vent ilsitzr ingb oh-
rungen ein Min elestst eg im Zylind erkopf verbleiben. damit sich die Ventil sitzringe nach
dem Einpressen nicht lösen. Bild L-23a und Tabelle L-5. Aus dem selben Gru nd muss auch
ein Mindeststeg zur Zündkerzenbohrurig vorha nden sei n.
Die Ventilöffnunge n müs sen aber auch ei nen gew issen Abstand z um Zylinder aufweise n.
sonst ist der Strömungswiderstand zwischen Ventilteller und Laufb uchse so groß, dass nur
ein Teilumfang des ringförmigen Ventilspalts für den Ladu ngswechsel wirksam ist. Stehen
zwei gleichnamige Ventile zu knapp beieinander, kom mt es ebenfalls zu einer Behinderung
der Ström ung.
Tab, L - 5 Mindest·Stegbrei ten bzw Abstände inSerien-Zylinderköp ten [mrn].
Mo'
Wert
2.5 2.5
3
1.5
3
3
Indizes: A Aus lasssitzring , E Einlasssitzring , Z Zylinderbuchse . Zk Zündke rze
1539
L Rennm otoren
Bil d L-2 3 Anordnungen von Ventilen .
Die ange führten Ventild ur ch m esser ge lten für 85 mm Bchrunqscurchmesse r,
a Definition von Abständen u nd Stegb reiten im Zylinderkopf
b Zweiventiler mit zw ei Zündkerzen
c Dreivennler
d vieveotuer. e ine oder zwei außen liege nde Zündkerzen mög lich
e Fünfvent iler
f Sechsventüer
E Einlassventil
A Auslassventil
ZK Zünd kerze
All diese Einflüsse füh ren zu m Ergeb nis. das Bild L~24 illustrie rt. Vier Ventile pro Zylin-
der bieten de n größten wirksa men Öffnungsquerschnitt. auch wenn fünf theoretisch einen
größere n Spalt freigeben .
Die Stellung des Ventils zur Zylinderac hse und die Lage des Kan als z ur Ventilachse
beei nflussen den G as- Durchfluss. d ie Turbulenz im Bre nnra um und die Brennra umform.
Je steiler ein Kanal steht. also je kleiner sei n Kanalwinkel. desto größe r ist sein Durchfl uss
1L22] und dam it die Maxim alleistu ng. G rößere Ventilwi nkel ergeben dafü r ei ne für hohes
Moment günstigere Brennraumform . Bild L-25 gibt einen allgemeinen Überblick. wie sich
die beiden Größen im Endeffekt auf die Motorcharakter istik von Sa ugmotoren auswi rken.
Heute wird bei steigendem Verdichtungsverhältnis und sehr guten Kenntnissen überden
Vcrbrcnnu ngsabluuf bci hochdrehe nden Motoren auf einen kompakten Bre nnra um (kleine r
Vcntilw inkcl] besonders Wert geleg t. Der Gesamtvent ilwinkel wird meist gleichmäßig auf
die Ein- und Auslassseite aufgeteilt. Je nach Hubraum und Hub-Bohr ungsverhä ltnis hatt e
sich der Ges a mtve ntilwinkel bei de n Formel-l-Turbo-Triebwerken auf 22
0
(Renault Turbo)
bis 400 (BMW Turbo) eingependelt. Bei de n Form cl-l -Saugrnotorcn mit 2,4; 3.0 bz w. 3.5 I
Hubraum werden und wu rden Gesamtventilwinkel zwischen 240 u nd 2Xo bevo rz ugt. Und
es g ilt die Regel: Je kleiner die Zylinderei nheit - oder j e größe r bei gegeb enem Hubraum
4 Baugruppen
L
Bild L· 24
Vent ilöflnung über de r An zahl der Vent ile.
Durch Wandab sc hir mu ng und gegense itige Be-
einflussung, neben geometrischen Zwängen un -
terscheid en sich d ie effekt iven Ventilöf fnungen
von den theo retischen. Den größten w irks am en
Qu er sc hnitt liefern d emnach vier Ventile pr o Zy-
linder. Fünf Ventile bringen nur geometrisch va.
teile. Sech s Ventile sind theoretisch und praktisch
sch lech te r,
.
-- -.
4
5
6
der Ventile I-J
c
»
~
l=~:
2
3
Anz ahl
Oeffektiv
Otheoretisch
~
~100
~
~
•90
~
•~
." 80
~
e
•70
>
85
5
10
15
20
25
30
Ventilwi nkel I"]
35
40
45
50
55
60
Kanal winkel [0]
~
i .... 100
:i~
+" D..- 95
<
oa
5§ 90
e~
~.
o."
L0
C~
Xx
••
ee
Bil d L-25
Einfluss von Ein lassven til- und
Kana lwin kel auf das ma ximale
Drehmoment und d ie Maxi-
rnaüestunq von Seuqrnotoren.
Das g rößte D rehmomen t erzi elen
Einlasskanale im Bereich von 500
Neigung zur Zylinderachse und
20 bis 22" ventilwin ket Steile re
Ventile und Kanäle führen zur
g rößten Leistung. Einen guten
Kom p ro mis s liefern Ventile, d ie
im Winkel von 15 bis t8° stehen,
und Einlasskanäl e mi t etwa 45°
Kanalwinkel.
die Zylinderan zahl - .
urnso kleiner der Ventilwinkel. Abgesehen von den verbrennungs-
technischen Vorteilen baue n Zylinderköpfe mit engen Ventilwinkeln kleiner und s ind damit
auch leichter.
Bren nr aum combustion chumber. Die Form des Brennra ums im Zylinderkopf wird von
der Ventila nordnun g und der Zündk erzenlage geprägt. Man unterscheidet nach der Gesta lt
Dach-, Halbkugcl-, Kcil-, Wannen- u nd F-Brennräume (stehende Ventile).
Der Beitrag des Brennraums zu einem hohen volumetrischen Wirkungsgrad ist der, dass
die Frischgastempera t ur bei Einlasssch luss mög lichst nieder liegt (wegen der the rmis chen
Ausdehnung des Gases ist so mehr Masse im Zylinder) und das der Restgasanteil im Zylinder
möglichst klein ist (dann ist mehr Platz für Frischgas). Für hohen therm ischen Wirku ngs -
grad muss da s Verdi chtungs verhältni s möglichst groß sein (vgl. Bild L-5). Die Gren ze n
hierfür ziehen Klopfen und der Ventil freigan g im Ladu ngswcchscl-O 'T, also wenn Ein- und
L Rennm otoren
Auslassventile den Kolben ber ühren könnten. Außerdem soll der Wärmeverl ust über die
Brenn raum w ände möglichst klein sein . Ocr Wärmeübergang hängt dabei ab von der Höhe
der Temperaturdifferenz zwisc hen Gas und Wand sowie von der Grö ße der gemeinsamen
Ober fläche. Ocr Brenn rau m soll also möglich st kompakt sein.
Das Volumen des Bren nraums V~ folgt aus dem angepeilten Verdichtungsverhältnis:
Vc
K ompr ession svol um en [rnm']
VII Hubvolumen eines Zylinders [mm']
E
Verdicht ungsver hält nis [-I
VerJ ichtungsvcrhältnissc von Ottomotoren liegen statisch bei 9 : I bis 14,5 : I. Die obere
Grenze nutze n Formcl-I-Sa ugmotor cn a us. Aufgeladene Motoren müsse n an de r unteren
Grenze bleiben. Dieselm otoren verdichten prinzipbedingt wesentlieh höher und er reichen
Verdichtungsve rhält nisse von 17 : I bis 21: I.
Im Betrieb ände rt sieh das Verdichtungsverhältnis bei Ren nmotoren mitunte r du rch die
Mussenk räfte erheblich. Bautcilvcrformung und das Aufze hren der Lagerspiele erhöhen die
Verdichtung (z. B. statisch E = 13.5 : I wird dynamisch 15: I [L03]).
Auch wenn ein Motor nicht auf höchste Drehzahle n ausgelegt wird. sonde rn seine Lei-
stung über hohen Mitteld ruck aufbaut. sind kurze Brennwege vorteilhaft. Der Bren nweg ist
der größte Abstand den die Flamme von der Zündkerze zum Bren nraum ra nd zurücklegen
muss. Kurze Brennwege lassen große Frei räume für die Motorabstimmung. Weil die Ver-
brennung rascher abgeschlossen ist. ka nn der Zündwinkel so gelegt werde n. dass de r Ver-
brennungsschwerpunkt im güns tigen Übert rag ungsbereic h des Kurbeltriebs liegt. Erfolgt
die Verbrenn ung langsam. muss der Zündwinkel so eingestellt werden. dass die Verbren-
nung vor dem Öffnen des Auslasses abgesc hlosse n ist. sonst leistet ab diese m Zeitpunkt
die Verbrennung keine nutzbare Arbeit meh r. Kurze Bre nnwcgc verri ngern außerd em die
Klopfgefah r. Von unten bet rachtet ist die Zündkerze nlage unabhängig vom Ventilwin kel
immer optimal. weil sie sich praktisch in der Mitte befindet. Anders sieht die Sache von der
Seite aus. Bei m großen Vent ilwinkel liegt die Zündk erze tief im Dach des Brennraumes
versteckt. also nicht im Zentrum des Brennraums. Anzustreben ist vielmehr eine Zündker-
zenlage möglichst nahe am Brennraumschwerpunkt. weil von hier die Brenn wege tatsäch-
lich ein Minimu m erreichen. Diese Forderung lässt sich mit kleinen Ventilwinkel n besser
erfüllen. Die Kerze rückt dabei näher an den O rt des Gesc hehens. weil gleichze itig mit
dem kleineren Ventilwi nkel der Kolbenbode n nach unten leicht kugclförmig durchgezogen
wird [L02]. Die Klopfgefah r wird verri ngert. wenn sich die Ladung zu m Ende de r Ver-
brennung in einem relativ kühlen Bereich des Bre nnraums befindet. Dies erre icht man mit
einer Zündkerze. d ie nahe bei den Auslassve ntilen sitzt. Die Flamm front breitet sich so in
Richtu ng kühlerer Einlass ve ntile fort. Die Zündke rze nlage muss a uch noch mit de r Lage
der Nockenwellen abgestimmt werden. weil die Kerzen einen d urchgehenden Schacht nach
au ßen benötigen. Mit dem Einsatz VOll mehreren Zündst ellen lassen sich die Brennwege
ebe nfalls verkü rze n. Bild L~26.
Gezielte Ladungsbeweg ungen im Brennraum. die durch die Einlass kanalform und -a nord-
nung hervorgerufen werden. beschleunigen das Durchbrennen des Ge misches. in dem sie
die Durchmischung fördern und die Flammenfront beschleunigen. Man unterscheidet in
Drall- . Tumblc- und Quetschstr ömung. Bild L-27.
4 Baugruppen
L
t.e
~1,4
•
•~I,2
0
•
.i;1,0
0,8
2
Bild L-26
Brennweg als Funktion der vemuaam. nach [L361.
Durch das unterschiedliche Flächenverhältnis zwi-
schen Ein- und Aus lassventil ergibt sich ein sch -
males Streuband. dass aber nichts an der wesentli-
c hen Aussage ändert. Die Brennwege sind bei d rei,
vier und fünf Ventilen kurz. Zwei Zündker zen beim
Dreivennler (3 (2 Zk)) verlängern den B rennweq.
3 3(2Zk) 4
5
6
Vent ilzahl t - J
Bil d L-27
Ladu ngsbeweg ungen im
Brennra um.
a Drall swirl
b Iumble tumble
c Quetsc hstr ömung squ ish
Die Ladungsbewegungen wer-
den durch d ie einströmen de
Lad ung oder durch den Kolben
hervorge rufen und verk ürzen d ie
B renndauer .
Ein Drallkanal erzeugt beim Einströmen einen Drall um die Zylinde rachse. der sich auch
noch beim aufwärt s Bewegen des Kolbe ns bemerkbar macht. Eine ähnliche Wirk ung erzielt
ein exzentrisch angeordneter, flacher Kanal. Eine walzcnförmigc Strömung quer zu Zylin -
dcrachs c wird Tumblc ge nannt. Diese Bewegu ng ent steht bei Kan älen, deren Strömungsan-
teile an der Unterseite abl ösen un d so die oberen Bereiche des Kanals bevorzugen. Dadurch
wird die Strömung asymmetrisch und die Ladung rotiert. Der Gasdu rchfl uss durch solche
Kanäle wird durch die Erzeugung der Bewegu ng beeinträchtigt. vgl. auch Bild L-36. Auf
eine and ere Art . nämlich bei geschlossenen Ventilen und Annäherung des Kolbens an das
Brenn raumdach. wird die Quetschströmun g verursacht. Ocr Zylinde rkopf ist dafür so aus-
gebildet. dass Randbe reiche des Brennraums parallel zum Kolbenbod en stehen (Q uetsch-
flächen). Nähert sich der Kolben dem oberen Totpunkt. wird das Gemisch aus dem Spalt
ged rängt und er zeugt eine Sekundärströ mung. Der kleinste Spalt zw ischen Zylinderkopfund
Kolbenboden ist etwa I Olm im Ruhezu stand des kalten Motors. Im Betrieb bleiben davon
wenige Zeh ntel mm über, weil unter schiedliche thermische Ausdeh nung und Lager spiele
(Massen kraft des Kolbens) eine Relati vbeweg ung der Bauteil e bew irken. Die Q uetschströ-
mun g wirkt besonders an de r Volllast (im Teillastbereich ist die Zylinderfüllung zu gering)
und eben nur in de r Nähe des oberen Totpu nkts. Mit zunehmendem Quetschflächenanteil
nimmt die Bren ndauer (z. B.in °KW) ab. DieQuetschflächen betragen etwa 10bis 15 % der
Kolbenfläche. In Bild L-23 sind mögliche Quetschflächen gra u dargestel lt.
Hochleistungsmotoren mit äußerer Gemischbildung kommen ohn e Maßnahmen zur
Ladun gsbewegung aus. deshalb werden kleine oder ga r kein e Quetschflächen vorges ehen.
Bild 1.-28. Bei den extremen Bedingungen liegt auch ohne ..künstliche" Maßnahmen bei
Verb rennungsbegi nn eine leichte Tumblebeweg ung vor [L46J.
L Rennmotoren
Bild L-28
Brennraumverg leich Serienm ot or und d avon ab-
geleiteter Rennmoto r in de r Ansicht der Zylinder-
k öpfe von unten, nach [l12].
a Serienmotor
b Rennmotor
Auf ausgeprägte Qu ets chfläc h en w ird b eim Renn-
mo tor weg en der Turbu lenzen bei hohen Drehzah-
len verzich tet. jedoch w ird auf möglichst günstige
Ein- u nd Auss trömbedingungen g roßer Wert ge-
legt.
Fü r g e ri nge Wandwärmeverluste ist ein klei nes Oberflächen -volume nver hältni s vor te ilhaft .
Das ist das Verhältnis der beheizten Oberfläche (Brcnnraumdach) zum eingeschlossenen
Volume n. Mit zunehmendem Zylinder volumen und steigendem Hub-Boh ru ngsvcrhältnis
wird das Oberflächen -Volu menverhältn is immer günstiger. Allerdings werden die Nachte ile
durch Wärme verluste für ein klei nes Hub-Boh rungsverhältnis durc h die mögliche n größe-
re n Ventilq uerschni tte übe rkompe ns iert , wes halb diese Ausl egu ng e rste Wahl für Rennmo-
toren ist. Allge mein kann festgeh alten werden, dass für Zweiventi1cr der halbkugelförm ige
themispherical s und für vicrvcnrilcr dcr dachförmigc (m o/shaped ) Brennra um die größten
Verbrennungs wirku ngsgrade liefe rn [L4 0] . Wobe i f ü r Hoc hd reh za hlmotore n der vier von-
til-Daehbrcn nrau m wegen der größeren Ventilq uerschnitte erste Wahl ist.
Nach dem Du rchtritt durch den Ventilspalt. der den Gasstro m entsprechend dem Sitz-
win kel von 45" lenkt , will d ieser sei ne Richtung beibehalten und sich seitlich ausbreiten.
Es muss deshalb um jeden geöffnet en Teller herum genügend Platz für die Durchströ mung
sein . Bei Vierventilköpfen mit paralle l angeo rd neten gro ßen Ventilen liegen die Teller nahe
an der Zylinderwand. und auch ihr Abstand voneinander ist so gering, dass an diesen Stellen
die Dur chst römu ng behinde rt ist.
Bei ein em Hochleistungsm otor besteht während der Zeit de r Ventilüberschneid ung
(Ladungswcchscl-O'T) ei ne intensive Strömu ng vom Einlass- zu m Auslasska nal. welche
so gele nkt werd en soll, d ass die Altgasmenge. d ie beim Normalmotor im Zylinderkopf
verb leibt (Rcstgas end gas), möglichst ausgesp ült wird. Die Strö mung soll so erfolgen,
dass alle sich in Ecken und Nischen befi ndlichen Restbestände erfasst werd en . Aus diesem
Grunde erscheint ein Fallst rom-Einlasskanal vorteilhaft, weil da nn die Strömung unter dem
Teller des Einlassventils hinweg erfolgt und auch den dort befindlichen Teil der Altgase
erfasst, Bild L-29a .
Bei horizontaler Kanalstell ung läuft dagegen die Strömung auf kürzeste m Weg und
lässt eine n Teil der Restgasmenge unberührt (Bild 1..29b). Der Gaswe chselvorgang bei
Ventilüberschne idung ist für den G rad der Zylinderfü llung von maß gebender Bedeu tu ng.
Weiterhin sind Venti lanord nung und Stellung der Kanäle auch für den Ze itraum, in dem
der Kolben ansaugt, wichtig. Die Strömu ng wird am wen igsten gestört, wenn sie in Rich-
tung de s an saugende n Kolbens e rfolgt, wie die s aus Du rchflussmessungen klar her vorgeht
ILO S].
Der Brennra um muss für die schnelle Energieumsetz ung gerade bei hohen Drehzahlen
ausgelegt werden . Dabei wird oft die Form des Kolbenbode ns al s ab sch ließendes Element
54 41
4 Baugruppen
L
/
Bild L-29 B rennraumdurchstr öm ung beim Ladungswechsel. na ch [LOS].
a Fatlst rcrnemtasskanat downdraught intake port
b Sch raq strornemtasskanal semi-d o w ndra ugh t intake o»t
des Bren nraums bei hohen Verdichtungsverhältn isse n (> 12 : I) zu einem Problem . Gro ße
Übersch neidungen, Ventilhübe. Ventildu rch messe r und große Venti lwi nkel führen zu stark
zerklüftete n Kolb e nb öde n. Einen ty pischen Bre n nr aum f ür höchste Verd icht ungen und
Drehzah len ze igt Bild L· 30 . Die Ventile sind dabei zur Zylin derachse nicht nur in einer
Ebene ge neigt. wie bei Serienmotoren üblich, so nde rn bilde n auch noch untereinander ei ne n
spitzen Winkel von etwa 6° (radi ale Anordnung). Das bedeutet. d ass kei n Ventil parallel
zum Nachbarventi l steht. Die Nocke n einer Nocke nwelle müssen deshalb zu m Ausgleich
entspreche nd schräg (kegc1förmig)geschliffen werde n.
Bild L-30
B rennraum eines Formel- t -Moto rs.
Der ext rem flache Brennraum ist vollständig spa-
nend bearbe itet. Um jeden Sitzr ing ist eine k ugel -
förmige Freistellung angebr acht. Seine Gestalt ist
zwa r nicht ideal, ab er sie ermöglicht auch bei hoh er
Verdichtung einen Kolben mit gering er Zerklüfl ung
d urch Ventiltasch en.
Die Oberfläche des Brennraums soll möglichst stetig verlaufen und wenig zerklüftet sein .
Das ermög licht eine g ute Spülung mit wen ig Restgasgehalt und ve rmeidet Klopfnester. Bei
Serienrnororcn werden die Brennrä ume im Allgemei nen gegossen. Bei Rennmotore n kön-
nen die Brennra ume auch vollständig durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden.
Das bietet ei ne Reihe von Vorte ilen:
glatt e Oberfläche.
konturtrcuc Quctschtl ächcn,
geringe Streuung des Verdichtungsver hältnisses zwisc hen den ei nzel nen Zylindern.
Das wird natürlich von Nachteilen begleitet:
er hö hte Fert ig u ngs kosten
bei großen Bearbeitungsz ugabe n wird der Vorteil ei ner gerichtete n Ersta rr ung des Zylin-
derkopfbodens (feines Gussgefüge durch gekühlte G usskokillc nwand) aufgehoben.
L Rennmotoren
Bild L-31
Brennraum e ines Rennmotors.
Ein typtsche r gegossener Dachbrennraum. der zum
Großteil durch Ventilflächen und Zündkerzenmün -
du ng bestimm t ist. Sol che Brennräume kommen in
Formel-3 -Motoren oder au ch in OlM-M ot oren zum
Einsatz ,
Darüber hinaus ist der Einfluss der Bearbeitu ng besc hränkt. Je nach Ventilanzah l und
-a no rdnung ist dieBrennraumoberflächebis zu40 % und mehr durch Ventilteller und Sitz-
ring best immt, Bild L~31. Dazu kommen Quetschflächen und Zündkc rzcnbohrung(cn).
Die nahe liegende Befürcht ung . Jass das Entfern en der hom ogenen Gussha ut die Rissan-
faüigkcit der Brcnnraumwa nd erhöht. wird in praxi nicht bestätigt.
Z ünd k e rz e spa rk plug. Z ünd kerzen mit kleine m Gew indedurch messer er mögli chen gr ößere
Ventile und stören die Brennraumkontur weniger. In Rennmotoren werden daher wesentlich
kleinere Zündkerz en eingesetzt als in Serienmoto ren. So werde n Kerzen mit MIO x I-Gew in-
de statt des üblichen M14 x 1,25-Gewindes einge schra ubt. Die Methanolmotoren der lndy-
Cars fahren mit "solideren" lz-mm -Kcrzcn. Einige Formel-I-Motoren sind soga r mit winzi-
gen x-mm -Kcrzcn ausge rüstet.
Bild L-32
Zündke rzen.
Eine Rennzünd kerze (links) mit
M 1Q x l -Gewinde ist zum Ver-
gleich mit einer konv entionel len
Zünd ker ze mit M 14-Gewinde
abgebildet.
Kan algest altung port design.
Die prin zipielle Lage der Ventile u nd der
Kan äle erörtern die Bilder L-23 und L-25.
Die Ventil steIlu ng be ein flusst n icht nur den
Dur ch fluss. so nde rn a uch die Brennrau m-
form und damit fahrbare Vorzündwinkel,
die Klopfneig ung usw.
Was de n volumetrischen Wirkungsgrad
betrifft. wirken zwei gegensätzliche Einflüsse aufdie Strömung . Bild L-33 .
Ein kleiner Ka nal d urc hmesse r redu ziert den Lu ftdu rchsat z durch Wandrei bung sverluste.
Ein großer Querschni tt wiederum verr ingert die Strömungsgeschwindigkeit und damit
110 ----,r------~ ---------~--~-~--r---- ---1- ----- -;
iii!
I L,-- .......
~
y .....--:-. ,---,
-...... : 1
I
,
i
80
4 Baugruppen
Bild L· 33
Einfluss de s Kanaldu rch m essers d auf den
Durchf luss (be rechnet) IL22].
Das Verhältnis Zylindervolumen Vn zu KanaI-
o orcnrnesser d zeigt einen Einfluss auf den vo lu -
metrischen Wirkungsgrad.
L
Nach ladeeffek te d u rch die Träg h eit d er Lu ftmasse. Es gibt a lso einen op timalen Ka nalq uer-
sch nitt zwischen diesen beiden Extre men. Zur Berec hnung siehe GI. ( L.6)
Einlas ska n al intakt! port. Einlasskanäle we rden als rei ne Füllun gskanäle. als Drall- ode r
Tumblekanale ausgebildet . Drall- und Tumbleerzeugung gehen alle rdings zu Lasten des
Durchflusses, Bild L.·36. Hochleistungsmotoren mit äußerer Ge mischbild ung verlangen kei-
ne Maßnahmen zur Ladungsbewegung. bei ihnen ka nn die Kanalentwicklu ng rein aufgröß-
ten Durchfluss ausgerichtet werden. Bei Vierventilmotore n liegt oft ein Kanal z ur Erzcu-
gung von Lad ungsbewegu ng (Drall. Tumblc] neben eine m Füllungskanal. Das begrenze nde
Kriterium für den kleinsten Ka nalw inkel stellt die Bearbeitung flir die Ventilfederau flagc
dar. In diese m Bereich muss ja eine Mindc stwandstärkc verbleiben. Das Ventil kann zwa r
mitsamt der Fede rauflage nach oben verschoben werden, dad urch wird es jedoch schwerer
und muss durch eine stärkere Fede r am Nocken geh alten werden. Das wiederum führt zu
größerer Reibung im Ventiltrieb und zu geringerer Höchstdrehzahl. Die Kühlflüssigkeit soll
den Einlasskanal möglichst wenig umspülen. Wege n der höheren Temperatur des Küh lwas-
sers wird das Frischgas ja tatsäeh lieh erwärmt. Im Bereich de r Federauflage wird ohnedies
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0,085 -0I0950. ,1(45·)
Bild L· 34
Ges taltungsempf ehlungen
Einlasskanal für Otto Pkw -Motor.
Der Kanal ist als Füllungsk anal aus-
gelegt. Oie Maße sind in Ab hängigke it
vom kleinsten Venti lsitzdu rchmesser
d'.
i angegeben. Der Kanal soll im Kühl-
w assermantel möglichst frei qestellt
sein.
L Rennmotoren
9 0 .l --+_ _~--...;_
_
Bild L·35
Einflu ss des Ka nalb ode nradius
(port c urval ure) R auf den Durch-
flu ss [L22].
d Kanaldurchmesser
port diameter
Der Du rchf luss ist auf jenen bei
Rld - 1 bezogen . Unterschied -
lich e Diffe renzdrücke ergeben
e in schm ales Streuband. An d er
grundsät zlichen A ussa ge är c er t
das jedoch gar nichts. Ein Ver-
hält nis Rld vo n 2 so llte mindes-
tens angestrebt werden.
;
2,0
R/d [·1
1,5
Rad ius
------- - -- - -- --- ----- - ---, -- ----
-_.__._
--- -_. _
- - -,---
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1,0
relativer
w
w
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120 1 ····.·
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Bild L-36
Einf luss de r Kanalneigung
(port gradient) auf d en Du rch -
nuss und den Tumbie nach
[L23J.
Je g rößer der Durchf luss bzw . der
Iumble, desto größ er die jew eili-
ge Kenn zahl.
0,4
[·1
M .......-
0,3
h./d,,1
0,2
Vent ilhub
-- ..j-
0,1
re lativer
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c
nicht zuletzt aus Platzgrü nden auf ei nen Kühlkanal verzichtet. Aber auch in Brennraum nä-
he solle n nur de r Sitz ring und die Zündkerze naufnahme gekühlt werde n.
Die Kanaloberfläche soll möglichst glatt sein. aber nicht von Hand poliert. Besonders
bei kleinen Kanaldurchmess ern wirken sich Querschnitt ssprünge und wellige Obe rflächen.
wie sie bei man ueller Bearbeitung leicht entstehen. störend aus. Dadurch kann der Durch-
fluss sogar sinken. wenn die Kanalwand von Hand polier t worden ist. Bild L-82 zeigt einen
typischen Einlasskanal eines Formel-I-Motors.
Strö mung im Ventil spa lt valve gapjfow. Der Strömungsquerschnitt am Ventil ist für den
Ladungswechsel wichtig. Der von der einströmenden Luft genutzte Querschnitt ist durch
Einsch nürun g und weitere gasdynamische Effekte et was kleiner als der geometrisch vor-
handene. Näheru ngsweise lassen sich die Verhältnissejedoch errech nen und so Auslegungen
fü r hohe Du rchfl üsse able iten.
Die mittlere Gasgeschwindigkeit berechnet sich aus der Kontinu itätsgleichung. Der v olu-
menstrom durch die Ladu ngswechselkanäle muss genau so groß wie de r Yolume nstrom im
Zylin der sein.
54s1
4 Baugruppen
L
VOa.A=I'm•Al'i
Api
=1'
-
mAbzw.
Api
m ittle re Gasgeschwindigk eit im Ka nal
mit der Fläche A bzw. dem Durohmes-
serd[m /s]
Kolbenfläche mit der Bohrung 8 [m2l
m ittlere Kolbengeschwindigkeit [m/s],
vrn = 2sn bzw. GI. (L.2). Bei Renn-
motoren werden max imale Kolben-
gesc hwindigke ite n vo n 20 -26 m /s
erreicht .
(U)
Mit steigender Gasgeschwi ndigkeit nehmen die St römungs verluste zu. Bei ge ringen
Geschwindigkeiten sind die gasdynamisc he Effekte zu wenig ausgeprägt und sie erzielen
kei nen merkliche n A ufladeeffekt. Es exi stiert also ein optimaler Geschwindigkeitsbereich
zw ischen diesen beiden Extremen.
Richt we rte fiir mi tt lere Gasgcschwind ig kcitcn:
Einlasskanal. vGa = 70 m /s für Serien mot oren
vGa = 100 bis 130 m/s für Hochleistungsmotoren [U 3}bzw. ca. 5 vm.
Auslassk anal: "oe " 110 m/s für Serienmotoren
Mit den angegebenen Richtwerten lässt sich aus obiger GI. (L.5) der erforderliche KanaI-
querschnitt ermittel n:
" m.o
A.:rf =Al'i -
-
l'Ga.id
Acrf
erforderlicher Kanalquersch nitt [m2]
' ·m.n mittlere Kolbengeschwindigk eit bei Nenn-
drehzahl [m/s]
\·Ga.id ideale mittlere Gasgeschwindigkeit [m/s]
(L.6)
Aus de m solcherart festgelegten Kanalq uerschnitt folgt mit derselben Überlegung der Vcn-
tilqucrschnit t:
freier Q uerschnitt einer Venti löfTnung bei max.
Vent ilhub [m 2l
Anzahl der Ventile pro Kanal [-I
Der geometrische Ventilquersc hnitt wi rd nach Bild 1., -37 berechnet.
S=h,.cosß
d, =dv•i + s 'sinß
s
Ventilspa lt [rn]
( L.7)
Av = (I, 'TI'S = TI'hv •eosß.«(Iv•i+"vcosßsinß)
L Rennm otoren
......
/
!
(
Bild L·37
Bezeichnungen am Ventilspalt.
Der geometrische Öffnungsque rschnit t ist nähe-
ru ngswe ise eine Kegelstumpffläch e mit de r Seiten-
lange s.
s Ventilspalt va/ve gap
ß Ventilsitz winke l va/va seat angle
h v Ventilhub va/va lift
d •.1 k leinster Vent ilsitzdurchmesser
mmor va/ve seat diameter
Mit steigendem Ventilhub " v nimmt zu nächst der Öffnungsquersch nitt zu. vg1. Bild L·36
Durchfluss, ab einem relativen Hub von h Jd\',i "" 0,35 bringt eine Hubsteiger ung jedoch kei -
ne Durchflusssteigerung mehr, weil der Ventilquerschnitt nicht mehr zu nimmt.
Bei bekan ntem freiem Ventilquersch nitt kann man den Ventilsitzd urchmesser leicht
berechn en (GI. (L.7)):
hv.max cosßsinß
ß
kleinster Ve ntilsitzdurchmesser [m]
max imaler Ventil hub [m]
Ventilsitzwinkel (0]. bei Pkw-
Motoren sind Sitz win kel VOll 45°
be i Ein- und Auslassventilen üblich.
bei Rennmotoren findet man auch
50 bis 55°
Der Auslasskanal- und ebenso dessen Ventildurchmesser werde n beim Saugmotor im ersten
Ansatz um etwa 15 % kleiner als der des Einlasskanals ausgeführt. Das Ausströ men erfolgt
ja bei eine r größeren Druckdifferenz und so mit stellen die kleineren Ventile keinen Strö-
mungsna chteil dar. Außerde m wird die Temperaturbelas tung durch die kleinere wär meauf-
neh mende Oberfläche verringert . Weitere Verhältnisse von Ventilgrößen siehe auch Tabelle
L-4.
Die Strö mung im Ventilspalt ist neb en de m Gasd urchsatz auch vom Venti lhub abhängig.
Rild 1. -3H.
Damit die Strö mungsverluste bei hohen Gasgeschwindigkeiten klein bleiben sollen de r
Ventilkopf und de r umströmtc Bereich des Ventils nach Bild 1.-3 9
gestaltet we rden. Die
Ventilköpfe von Rennmotoren sind brcnnraum scitig eben, haben also keine konkave Aus-
nchm ung. die die wärmeaufnehmende Oberfläche vergrößern würde . Polieren des Tellers
verkl ei nert die Oberfläche ebenfalls und verringert dar übe r hinaus Ablage ru nge n.
550 I
4 Baugruppen
L
-~
c
Bild L· 38 Einlassströmung im Ventilspalt [L24).
a kleiner Hub: Der St rahl füllt den Spalt. Die Strömung liegt am Ventil und am Sitzr ing an
b mittlerer Ventilhub: Die Strömung löst teilweise ab.
c große r Ventilhub: Es bildet sich ein fr eier Strahl aus.
a
/
~I
Bild L·39
Gesta ltung eines Einlassventils für
hohe Gasgeschwindigkeiten.
a typisch e Gesta lt eines Venlilkopfs
mit Maßen (vennrcu rcbmesser
etwa 35 bis 40 mm). veomeneo rene
t.s mm.
b kleiner Tulpenwinkel bei großen
Kanalw inkeln (über 60') [L37].
c großer Tulpenwinkel bei kleinen
Kanalw inkeln (unter 45') [L37].
Weitere Maßnahmen zur Durchfluss-
verbesserung (b):
1 Ventilführung bünd ig zum Kanal
2 ventuscbatt im Kanalbereich ver jüngt
3 an Kanalw inkel angepasster Tulpen-
winkel
Die Ausführung von Einlass-Ventilsitzringen filr höchste Drehzahlen zeigt lJild L-40h.
Zum Vergleich ist ein Sitz ring filr günstige Turbulenzbildung (F lammengeschwindigk eit)
gegenübergestellt, wie er filr Renn motoren mit mittlerer Drehzahl (bis etwa 10000 min -I)
günstig ist. Wichtig neben der Gestaltung der Sitzumgebung ist in jedem Fall, das s der
Sitzring bündig mit der Brennra umwand abschließt (Pfeil) und nicht vorsteht oder zurück
verset zt ist.
Bild L-40
Gestal tung von Einlassventilsitzringen.
a Ausführunq m it drei Fasen zur Durchfl usssteige-
rung [L37].
b Ausführung m it einer Rundung. Der Ventilsitz wird
nach dem Einpressen des Sitzrings auf 45' bear -
beitet. Neigt das Ventil zum Nachspringen wi rd der
Sitz auf 50 bis 55 ' geändert.
1551
L Rennmotoren
\\'('rkst offe. Sitzringe we rde n aus Kupfer-Beryllium hergestellt. Ventilführungen aus Bron-
ze, Ventile aus Stahl (Chrom- Mangan-Stahl). Nimonic (Nickc1 -Sup crlcgicrung). Titanlcgic-
runge n, Titan aluminid (TiAl) oder Keramik (Siliziumnitrid). Auslassventile können auch
einen hoh len Schaft mit Natriumfüllung zur besseren Wärmeabfuhr aufweis en.
Auslas ska nal exhous t pon. Auslasska näle müss en gut gekühlt werden und ihre Länge im
Zylind erkopf soll möglich st klein sein (W ärmccintragj. Auch Auslasss itzrin ge müss en g ut
gekühlt werden . Das Ventil gibt de n überwiegenden Anteil der aufgenommenen Wärme über
den Sitz wieder ab. Ein wese ntlich kleinerer Teil der Wärmeabfuhr erfolgt über die Ventilfüh-
ru ng. Sitz ringe hoch belasteter Motoren werden aueh m it Öl oder Wasser z wa ngsgek ühlt. Bild
L-42 . So waren beim Ferrari V6-1.5 -1-For mel- l -Motor Ein- u nd Auslasssitzringe ölgekü hlt .
.
>
~
m
0
.
0
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m
•0
0
>
0
•1-1,11dY,1
oder :
A"l ,1 lichter
Ventilquerschnitt
@/-,
/"
/~
Wasserman tel
/
nahe zu Venti lsitz
A> 0.75 Flache bei d..J
Bil d L- 41 Ges taltungsempfehlungen Aus lasskanal Otto Pkw-Mo tor.
Die Maße sin d in Abhäng igkeit vom kleins ten Vent ilsitzd urc hmesser d V •i angegeben. Wichtig ist, d ass der
Wassermantel krit isch e Bere iche gut erreicht.
Bild L-42 Wa sserk üh lu ng von A u slassventilsit zrin gen {Formel 1, TAG Persehe Turbo}.
1 um laufende Nu t in der Aufnahmeboh rung des Austassve nntsuzes
2 Verbi ndungsröhrchen
Der Auslassventils itzring (strich liert einge tragen) w ird von Kü hlf lüs sigkeil umspült. Die Flüssigkeit wird
a us d em W ass ermantel anges aug t und ge lang t über ein Röhrchen (2) in d en ge bohr ten Sammelkanal.
der unte r dem Auslasskanal liegt.
4 Baugruppen
Einen direkte n vergleich zwischen Serien- und Rennkanälen bietet Bild L. -43. Die Motoren
der DTM werden nämlich aus Serienaggregaten abgeleitet. Basierend auf den vorhandenen
Ventilwinkeln und -a bständcn werden die Kanä le des Rennmotors gestaltet. Die Kanäle
si nd bere its im Zylinderk opfzusa m me ngeru hr l. Zw ischen de n Aus lasskanäle n muss j edoch
noeh Platz für den Wassermantel sein. Der Gasdurchfluss ist z unächst durch größere Ventil-
durchmesser gege nüber der Serie und anschließend durch a ngepasste. geradlinigere Kanal-
führ ung vor alle m für große Ventilhübe erhöht.
Der Kühlwassermantel bei Serie nmotoren ..ergibt sieh" soz usagen durch den Raum den
Brenn raum . Ladungswechselkanäle. Schraubenbutze n und Zündker zenpfeifen abzügli ch
einer Wandstärke übrig lassen. Bei Rennmotoren wird der Wasser mantel gez ielt auf die
Bedü rfnisse hi n konstru iert. Er wird möglichst klein gehalten. da mit die Strömungsge-
schwi ndigkeit des Wassers hoch ist und Totwa sse rgebiete verhindert werden. Dies gelingt
beisp ielsweise mit z we itei ligen Wasser m änte ln. in de nen ei ne a nnä hernd horizontale Tren n-
wand den Wasserraum in einen brennraumnahen Teil und in einen oberhalb liegenden
Bereich teilt. Außerdem führen Bohrungen mit ea. 5 mm Durchmesser die Kühlflüssig-
keit gezielt an heiße Stellen (hOf spon, vgl. Bild L·B I rechter Zylinderkopf Mit dieser so
genannten Präzisionskühlung werden unter anderem Auslassventilsitzbereiche und Zünd-
kerzensitze gekühlt. Die Brennraumwand wird verrippt . Damit wird die Kühlflüssigkeit
geleitet und die wärme abgebende Oberfläche vergrößert . Zwänge. die durch die Gießtechnik
L
-,
,
-
J
I,
b
I
I--
I
I
I--
I
Bild L-43
Gaswechselkanäle mit Brennraum , na ch [L12J.
a Serienmotor
b darau s abge leitete Renna usführung (diese i st auch
schatti ert dargeste llt)
Oie Einlassseite ist links. Die ob ere A usnehm ung beim
Einlassbereich d er Einlasskanäle dient für das Ein-
spr itzventil. Der Gasd urchsa tz ist vor allem bei gräße-
ren Ventilhübe n gegenüber dem Serienstand erhöht.
Die dazugehörigen B rennräume Sind in B ild L-28 dar -
gestellt.
1553
L Rennm otoren
entstehen , werden durch Skelettbauweise vermieden. Die Zylinde rköpfe werde n teilweise
seitlich offen. also mit unterbrochener Seiten wa nd. gegossen u nd erst vor der mechanischen
Bearbeitung wird der Wasserr aum d urch Einschweiße n dünne Bleche geschlossen.
Werkstoffe. Zylinderköpfe bestehen aus Aluminiumlcg icrungc n, Serienteile aus Standard-
gusslcgicrungcn (in der Reihenfolge fallender Fcstigkcitcn bei 2500C) : G-A1SioCu4, G-AISi9Cu3,
G-A1Si7Mg.G -A1SilOMg jcwcils T6 wärmebehandelt. Hochwarmfeste Legieru ngen weise n
zwar ungü nstige Vera rbeit ungse igenschuften au f. ermöglichen j edoch höchstbeanspru chte
Zylinde rk öpfe . G -A1SiCu5Nil,5CoSbZr, G-A ICu4MgTi, G-AI2MgTi.
Besonders in Brennrau mnähe wird auf ein feinkö rniges Gefüge (kleiner Dcndritcnarmab-
sta nd) großer Wert gelegt. Dies wird durch gczi cltcs. örtliches Kühlen des G usswerkzeugs
im Bren nrau mbereich erreicht.
Her stellung. Zylinderköpfe und Zylinde rkopfdeckel werde n gegosse n. Wege n de r gerin-
gen Stückzahl bieten sich Verfahre n wie Sandguss und Feinguss an, Die Gaswec hselkanäle
werden mit Sandkernen da rgestellt oder bloß vorgegossen u nd teilweise bzw. vollständig
spanend auf die Endform bearbeitet. Serienteile werden im Kokillenguss. Druckguss oder
Corc - Pac kaging-Vcrfa hrc n gefe rtigt.
Z) lindl' rkopf ha ubc cylinde r head cover. De r Ölraum ei nes Zylinde rkopfs w ird nach
oben hin d urch die Zylinderkopfhaube abgeschlossen, Ist der Motor mittragend im Fahr-
zeug eingebaut. so bei nha lten die Hauben bei V· Motoren meist Motorbefestigungen. weil
sie zwe i vom unteren Motore nde weit entfernte Punkte bereitstellen. Dafü r benötigt die
Haube alle rdings ents preche nde Struktu rste ifigkeit und Anbindu nge n a n den Zylinde rkopf.
Durch Integ ration zumindest einiger Nockenwellen lager in die Haube lässt sich dieses Ziel
err eiche n. Zu r Einstel lung der Steuerz eite n werden die dem Antri eb am nächste n gelege ne n
Lagerdeckel " konventionell" am Zylinde rkopf versch raubt. Dan n sind bei der Montage die
Nockenwellen du rch dieses eine Lager fixiert und anschließend ka nn die Zylinde rkopfha ube
mit den übrigen Lager stellen aufgesetzt werden.
Die Hauben we rden aus Alumin ium- oder Magnesiumlegieru ngen gegoss en.
Minimale Wandstärken nichttragender Bere iche bei Aluminium-Legieru ngen 2 mm. bei
Magnesium-Legierungen Lx mm.
4.2 Ventiltrieb Valve tra in
Pilz ventile we rde n dir ekt ode r mittels ei nes Übert ragungsglieds ( Kipp-. Schlcpphcbcl] von
einer Nocke geöffnet und wieder geschlossen. Eine Auswahl gängiger Möglichkeiten samt
deren wichtigsten Eigenschaften bietet Tabelle L-6. Eine Nockenumd rehung entspricht
dabei einem vollständigen Zyklus (zwei Umdrehungen) eines Viertaktmotors. Demnach ist
eine Unte rsetzu ng von 2 : 1 zwisc he n Kurbel- z u Nockenwelle erfo rde rlich. Die Nocke nwel-
len werden von der Kurbelwelle aus meist über Zahnräder. se ltener über Zahnrie me n ode r
Kelte angetr ieben. Zahnriemen weisen eine geringe Masse auf und sind leicht zu ta uschen.
Riementr iebe werden ge rne z um Überw inden großer Achsabstände herangezogen. Vor allem
bei hochdrehenden Motoren stellt ein reiner Zah nradtrieb das Optimum dar, Bild L-44 . Bei
5541
4 Baugruppen
L
9
0,34 n.
6
__
0 ,325 n.
6 Öldruckpumpe und Saugpumpen
7 Saugpumpen
8 Luf tabscheider. Lichtmasch ine und Hydra ulikp umpe
9 Wasserpum pe
Bild L- 44 Steuertr ieb Ferrari 3,0 I Vl0 (Tipo 049)
Der Räde rlrieb ist am vord eren Ende des M otors angeordnet und treibt neben den vier Nock enwelle n
auch alle Nebenagg regate mit einer ihre r Effizienz angepassten Drehzahl an,
1 Kurbelwelle (OM.n - 17500 min- 1)
2 Auslas sno ckenw elle links
3 Einlassnoc kenwelle links
4 Einlassnocken welle rechts
5 Auslassnocken welle rechts
gepaarte n Zahnrädern s ind Flankenspiele im Hunde rtstel-Millimet erbereich möglich. Das
führt zu einer exakten und vor allem drehzahlfesten Ventilsteuerung, Ein Zahnradtrieb
er möglicht auch relati v leicht meh rere Nebenantr iebe s icherz ustellen.
Die Zahnräder laufen gleit- oder nadelgelagert auf festen Steckachsen. Eine Steckachse
kann auch als Exzenter ausgebildet werden und so eine Einstellba rkelt des Zahnradspiels
gewä hrleiste n.
Ventiltriebe können am vorde ren Kurbelwellenende ode r schwu ngradseitig angeord-
net sein. Es gibt weit ers auch Motoren mit mitt ig angeordnetem Nockenwellenantrieb. Die
schw ungrads citigc Ent nahme des Ant riebsmoments ist aus Schwing ungsgr ünden gü nst ig.
wei l der Abtr ieb in einem Tors ions schwingu ngsknoten der Kurbelwelle erfolgt. Montage und
Wartung des Steuert r iebs gesta lte n sich allerd ings aufwänd iger als am vorderen Motorende.
Die A nord nung an der Stirns eite weist auch Vorteile für die Steifigkeit des Motors auf. falls
dieser als Mittel motor mittra gend ei ngebaut w ird.
Bei extrem hohen Drehzahlen (über 17000 min - I) und langen Nockenwellen (etwa 10
Zylinde r V-Motor) führen die von den Nockenkrä ften induziert en Torsions schwingungen
neben möglichen Brüchen dazu . dass die Steuerzeiten unakzcptabcl schwanken. Dies ist
vor allem beim vom Antr iebszahnrad am weiteste n entfernten Zylinde r festzu stellen. Zur
1555
L Rennmotoren
Tab .l- 6 Vergleich von Venli llr iebskonzepten: ohne Nockenrolle, m it hyd raulischem Ven tilspiela usg leich
Kri terium
Reibung
Masse
Steifigkeit
Ba uhöhe
Ko nzept
f\r~!
a
b
c
d
0
0
•
H
•
0
•
H
H
•
0
0
Legende: ++ sehr gut. + gut , 0 d urchschnittlich, -
ungüns tig.
--
sehr ungünst ig.
Vergleich von Venli ltrie bsk onzepten: mit N ac kenrolle , m it hydr au lischem Ventilspielausgle ich.
Ko nzep t
Kriteriu m
Reibu ng
Masse
Ste ifigkeit
Ba uhöhe
e
e
e
9
e
h
Legende: ++ sehr gut. + gut. 0 o orcnscnonmcn.
ungünstig.
se hr ungünstig.
Lösun g die ses Problems werden Schwin gungstil ger bzw. -dämpfcr im v entiltrieb crfordcr-
lie h [ L35]. 1m einfac hste n Fa ll reicht ein ein v ulkanisiertes Elasromcrclcmc nt. d as in einem
Zwische n zahn rad ein el astische s Zw ische nglied d a rstel lt.
Für Ren nmot oren kommen wegen der hohen Steifigkeit und der geringen bewegten
Massen nur der Schlepphebel (Konzept c bz w. g) und de r Tassenstößel (d) in die nähere
Auswa hl , bcidc allerdings oh n e hyd rau lischen vcntilspicla usglcich. Sch lep phebel ermög-
lichen die eng sten Ventilwi nk el und da mit die kompakteste n Bren nräu me. Viele va r iable
vcnriltricbssystc mc fuße n darüber hin aus auf Schlepphebela nt rieben. Tasse nstößel hinge-
gen bieten d ie fülligste n Ventilerhebunge n u nd damit d as Po tential fü r höchste Leis tun ge n.
benötigen jedoch weitere Vent ilwinkc1 und weise n größere oszillierende Massen auf.
4 Baugruppen
L
"
/-
D
,
D
~
~
."
~
<
•
I
>
0A
B
C
0
E0
Kurbe l st ellung , oKW I
Bild L-45
Allgemeine ventnernebunqsku rve.
Der Ventilhub ist über dem Kurbelwinkel aufgetra-
gen und gliedert sich in sechs chara kteristische
Phasen.
ve ntüerhebu ng vaive liji. Die Ventile rheb ungs k urve wir d in Zusa m me na rbeit von Noc ke n
und Ab nehmer bzw . Übe rtrag u ngseleme nt erze ug t. Die Nockenfor m w ird von de r Gestalt
des Abne h mers best im mt. Für eine be stim mte Ventilerheb u ngs k urve ergibt ein Ab neh-
mer mit ebener Gleitfläche eine ga nz andere Nockenform als ein Abnehmer mit Rolle oder
Kre isboge nfläche .
Einen allgemeinen Verla uf de r Ventilerhebu ng ze igt Uild L-4 5. De r Verla uf beg in nl
mit einer An laufra mpe von () bis A, die durch eine ansteigende Ge rade oder besser durch
eine Sinuslinie dargestellt wird und auf der das Ventilspicl aufgehoben wird. Wäre kein
An lauf vorha nden. dann würde das Ventil schon bei ger inge m Ventilspiel schlaga rtig hoch
geschleudert . der Abnehmer würde den Nocken verlassen, und bcidc Teile wü rden sich
einschlage n. Die A nlaufra mpe m uss ei nen stoßfreien Beginn der Ventile rhebung cinlc i-
tcn. Ma nche Gebrauchsmoto ren haben aus Sicherheitsgründe n eine sehr lange Anlaufrum-
pc, da mit größere Unterschiede im ve ntilspiel nicht gefä hrlich werden können. Besser ist
jedoch eine kurze steile Rampe.
Nach de r Anlauframpe beginnt bei A die eigentliche Ventilerhebung. Es folgt eine steil
ansteigende. kurz dauernde Beschleunigung bis zum Punkt B und nach einer kurzen Beru-
higungsstrecke eine langsame, aber bis zur Nockenspitze C dauernde Verzögerung. Nach
dem Pu nkt B tritt schon die Ventilfeder in Aktion. die da s Ventil bzw. das Übertragu ngs-
glicd. welches sich geradlinig weiter bewegen möchte, am Nocke n hält. Die Rückbewe-
gung des Ventils von der Nocke nspitze muss von der Ventilfeder besorgt werde n. Ist die
Feders pa n n ung zu geri ng. d ann ve rlässt d a s Übertragu ngsglied d ie Nockenbahn. sp ring t
höher und tr ifft erst später wiede r auf de n Nocken auf. Je schneller die Rückbewegung des
Vent ils sta tt finden soll, um so höhe r ist d ie erforderliche Fed erk ra ft. Eine Ventile rhebu ngs-
kurve mit große m Gipfelk reisbogen kommt mit ge ring erer Federkraft aus und bietet größere
Drehzahl sicherheit. Bei der Schließbeweg ung folgt das Ventil de r gleichen symmet rische n
Kurve, wird dann von 0 bis E stark verzögert und setzt sanft auf sei nen Sitz auf. Ohne
Ablauf ram pe (Sch ließ ram pe) würde das Ve ntil schlagartig au f sei nen Sitz au ft reffe n, w ie -
der hochspr ingen und die Steuerzeit in nac hteil iger Weise verlä nge rn.
Die Ventilbewegu ng ist aus Beschle unig ungs- und Verzöge ru ngskurven zusam me nge-
setzt. Eine gle ichför mige Bewegu ng, d ie durch ei ne längere Gerad e d argeste llt wu rde. gib t
es bei ei ner op tim alen Ventile rhebu ng nicht .
Die Ventilerhebungskurve wird nach der von ihr ei ngesc hlossenen Fläche beurteilt.
Ken nze ichnend für einen Hoch leistu ngsmotor ist eine große Fläch e. die durch steile Venti-
1557
L Rennm otoren
lcrhcbung und großen Gipfel radius erzielt wird. wobei aber die Länge der Steuerzeit nicht
über ei n bestimmtes Maß gehen da rf. Steile Ventilerhebungen schließen an der steilste n
Stelle einen Winkel (Steig ung) bis z u 55° ein [LOS].
Das Auslassve ntil soll schnell geöffnet werde n. Bei ..sc hleic hende r" Öffnung wird das
Ventil von den durchströmend en G asen z u stark erhitzt . Bei m Schließen wird die Nocke im
Vergleich z um Einlass flache r gehalte n. weil in diese r Phase nur mehr ge ringe Massen a us-
strömen. Bild L-47. Zusam menfassend sind in Tabdie L-7 die wichtigsten Anforderungen
an die Ventilerhebung z usammengestellt.
Tab . L · 7 Anlorde rungen an die Venlilerhebung [lOl ]
Öffnungs ram pe
Hauptnocken-
möglichst kurz
Öff nungsphase:
u nd stell
schnelle Quer-
schnittsfre igabe
Einlass gute Leertautqualität. roher Luftaufwand
niedriger Leerlauf-
verbrauch
Hauptnocken-
Sc hließ phase:
möglich st steil
Ruckst romen ver-
mindern Il.uttaut-
wand)
Schließrampe
möglich st kurz
und steil
Rückströmen ver-
mindern, Drehmo-
ment bei nied rigen
Drehzahlen
Aus lass geri nge Ausschiebe -
arbeit
niedrige Aussch ie-
bearbeit
gute Leerlautquantät,
niedriger teertaut-
verbrauch
Zur Bestimmung der Masse nkräfte und dam it der er forderlichen Ventilfederkraft wird ein
Ersatzsyste m he ra ngezogen . Bild 1.·46.
r1 r2
a
m
md
b
a reales System
b Ersatzsystem
Bil d L- 46 Massen und Kräfte im Ventiltrieb.
Das reale System wird durch . Reduk tion" auf die Nockenseite zu einem einfachen Ersatzsystem zusam-
mengefasst.
5581
4 Baugruppen
Die Ventilfederkraft muss für einen stän digen Kontakt zwischen Nocken und Abnehmer
so rgen. Die Kraft F Nn auf den Nocken folgt aus der dy namischen Gleichgewichtsbetrach-
tung z u:
[ ()' ()']
':!
JK
':!
/IIs p 1].
..
FNo = ~"p-+ IIISIÖ+ IIIRd +-,-+mv -
+-- -
·x
'1
'j
'1
21]
FNo
Kraft auf Nocke [N]
Fs"
Kraft der Venti lfeder [N]
/II S tii
Masse des Stößels [kg ]
II1Rd
Masse de r Stoßsta nge [kg]
II1v
Vent ilmasse [kg]
II1Sp
Federmasse [kg]
JK
Massenträgheitsmoment des Kipphebels [kgrn-]
r l_T2
Hebellängen des K ippheb els [m]
.r
Stöß cl hub [m]
Fasst man diese Gleich ung gemä ß des Ers atzsystems (Bild L-46) zusammen, so erhält man
die Beziehung:
L
F rcd
/Ilr ed
.t
red uzie rte Ventilfede rkraft [N]
reduzierte Masse des Ventiltriebs [kg]
Stößelbeschle u nig u ng [m/s2]
Daraus folgt unm ittelbar eine Bedingu ng für die minimale Federkraft, da mit kein Abheben
des Abneh mers (FNo = 0) bei einer bes tim mten Ventilb eschle unigu ng möglich ist:
Diese Verhä ltnisse gibt Bild L-47 beispiel haft für eine Nocke nwell end reh zah l eines v c n-
tilt ricbs wieder .
Einige Auslcgu ngswcrtc:
Gesc hwindigkeit arn Ende des Vornoekens: max. 0 .3 m/s [L13].
Rennnocken weise n durchschnittliche Verzöger ungen an der Nocke nspitze von
250(1-3800 m/s2 auf [LOS].
Max . Druckspann ung (Hertz-sehe Press ung) an der Nockenspitze. 600 N/mm2[L 13].
1559
L Rennm otoren
2500
10
~ 2000
e
0> 1500
c
,
o
."
§ 1000
•~
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I
11
o
.... h, -
.. ..... \_
...
30
60
90 120 150
Nockenwinkel [ ONW J
180
8
e
e
6
"D,
~
~
4~
~
c
•>
2
0
Bi ld L· 4 7 Beschleunigungen im Vent iltr ieb
1 Einlassven til
2 Auslassventil
Der Beschle un igungsverlauf wird von der Rampenform und von der Nockenform beeinflusst. A uslass-
vent ile können sanfter schl ießen. Die reduzie rte Besch leunigung Fred/mred muss bei allen Drehzahlen
dem Bet rag nach größer als d ie größte Verzögerung sein , damit das Üb ert raqunq selem ent nicht von der
Nocke abheb!.
Steu erz eiten valve timing. Werden di e Ventilerheb unge n von Aus- und Einlass über Kur-
bel- ode r Noekenwinke1 (Steuer w inkel) aufgetrage n, erhält man das Ste uerdiag ramm . Das
Steuer diag ramm zeigt aber auch die Ventilq uersehn itts fläehe (Ventilöffnu ngsfläehe) in
Abhäng igkeit vom Steue rwink el. Bild I.
M
4H. Fü r hohen Liefergrad u nd geringe Drosselver-
luste werden g roße Ventilquerschnitte angest rebt.
expandi eren Ausschi eben
Ansaugen
ve r dichten
"
"
c
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Über -
sctm eid ung
"•
"•
•
"
"
"c
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Es~
.
-,
vor OT
OT nach OT UT nachUTI
360
540
Kurbelstellung [ "KW]
UT unte rer Totpunkt
bottom dead ceoue
QT obe rer Totpunk t
top dead cenrre
Aö Aus lass öffnet
eeoacs t opens
As Aus lass schl ießt
exhaust ccees
Eö Einlass öffnet
intake opens
Es Einlass schließt
Intake closes
Bil d L- 4 8 Allgeme ines Steuerdiagramm eines Vie rtak tmo tors (timing diagramme) .
Über dem Kurbelwinkel sind die Ventilerhebungen und damit die Ventilöffnungen aufgetragen ,
Wichtige, charakterist ische Größen sind Versetzung (Spreizung offsei) und Überschneidung (overlap) ,
4 Baugruppen
Noch wichtiger ist es aber, den Weg des Ventils zu betrachten. denn es kom mt darauf an,
wie schnell und wie hoch ein Ventil angehobe n wird. Diese Ventilerhebungsk urve ist die
für die Beurteilu ng der G aswechsel vorgänge wichtigs te g raphisc he Darstell ung, siehe obe n
Absc hni tt Vent ilerhebun g.
Die Steuerzeiten beei nflussen die Vorgänge bei m Lad ungswechsel und dam it d ie Motorcha-
rakteristik in folgender Weise, {UO] und [U l]:
Der Einlassschluss Es beeinflusst die Füllungs- und da mit die Drehm omentencharak-
teristik seh r viel stärke r als di e anderen Steuerzeiten. siehe IJild L-49. wobei frü hes Es
ein hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich. abe r Füllungsverluste bei höheren
Drehz ahlen. und spätes Es eine hohe Nennleist ung, aber Füllungsverlu ste bei niedrigen
Drehz ahle n (Sport motor) bedeutet.
Bei nied rigen Drehzahlen und Volllast (geöffnete Drosselkl app e) folgt de r Massenstro m
a m Einlassventil der Kolb enanregu ng (-bewegung). Um Lad ungsverluste (Rückschlcbcn
in den Saugtrakt) zu vermeiden, sollte das Schließe n des Einlassventils möglichst nahe
bei UT sei n. Auch die Ventilübe rschneidung im Lad ungswcchscl-O'F sollte klein sein ,
um den Restgasgehalt im Frischgas zu minimieren.
Bei hohen Drehzahle n und Volllast führen g roße Ventilöffnungsflächen zu eine r Entdms-
sclung und förde rn eine dy namische Nachladung. wenn die Einlassve ntile ausreichend
lange geöffnet sind. Dies erzwi ngt ei nen späten Einlassschluss.
Im Leerlauf und bei Teillast wird durch ein e späte Einlassöffnung die Ventilübersc hnei-
dung reduziert, wodu rch das Rückströmen von Abgas in den Saugtrakt (Rcstgasantcil)
vermindert wird (geringerer Restgasanteil führt zu besserer Energieumsetzu ng und
damit zu Kraft stoffverbrauchsvorteilen in erster Linie durch schnelleres Durchbren nen
der Ladung und ge ringere Zyklusschwankunge n).
Eine große Vent ilübe rschneidu ng bew irkt höhere Spülve rluste. wodurch der effek tive
Wirk ungsgrad abnimmt. Die damit verbundene verb esse rte Restgasa usspülung bewi rkt
jedoch eine besse re Zylinderfüll ung und da mit ein e höhere Leist ung.
Frühes Aö führt zwar zu hohen Verlusten an Expansionsa rbeit. reduziert aber die erfor-
de rliche Aussc hie bea rbeit .
Die Steuerzeiten wer de n vereinfacht a uch al s .Stcucrdi agra m rr r' a ufgezeichnet . Dar in we r-
den die Punkte angegeben. an denen die Ventile von ihrem Sitz abheben und wieder aufset-
zen. Bild L-5 0.
L
o
2000
40 00
Motordrehzah! n~
--- - -----,
········ i
Bild L-49
Einfluss des Einlasssch lusses Es auf
den Lief erg rad ÄI [L31].
Die Messung wurde an einem 8·Zyl .-
Ottomotor m it 4 Ventilen pro Zylinder
du rchgeführt. Durch Verstellen de r Ein-
lassnockenwelle um 20 "KW nach spät
ergibt sich im unteren Drehzahlbereich
eine deutliche Abnahme des Lieferqra-
os. Dem gegenüber erhöht sich die la-
dungsmenge bei hohen Drehzahlen.
1561
L Rennmotoren
a
OT
UT
Bild L· 50
Steuer zeiten eines Saugre nn-
motors (porsche Formel l,
1960er J ah re) und ein es Serien-
motors in " K W, nach [L30J.
a Rennmotor
b Serienmo tor
Die Ventilüberschneidung ist
der graue gefärbte Bereich.
In Ta b elle L- 8 sind d ie Steue rzeiten e iniger Geb rauchsmotoren sow ie Sport- und Re nnmo-
t ore n angegebe n. H ie rb ei ist z u be acht en . dass Mehrzy linder motoren mit nur e inem Verga-
se r fast gar k eine Ventilüberschneidung ve rtragen. u nd da ss z. B. auch Vierzylinde rmotoren
m it zwe i Vergase rn a ufY-fO rmige n Ansaugrohre n. die durch ein Ausgleic hsrohr verbunden
sind, n ur ganz geringe Ventilüberschne idu ng h aben dürfen. Wenn. eine höhere Le ist u ng
erzielt werden soll. ist u nbed ingt für jeden Zy linder ein eigene r Vergase r I bz w, eine eige ne
Einspritzd üse t erfo rde rlich. Wie aus de r Tabelle ers ichtlich. beträgt d ie Ges amtsteuerzeit
für das Einlass- wie fLir das Auslass ventil bei eine m Gebrauchsmoto r durchschnittlich 240-
265", fü r einen Sport motor bis e twa 320" u nd filr Ren nmoto ren meist zwischen 320- 360 ",
aber auch da rüber. Dabei ist zu beachten , d ass für Zylinderköpfe mit kleineren Ventilquer-
sch nitte n (also Zwcivc nti lk öpfc) länger e Steuerzeite n e rforderlic h s ind als für Vierventil-
köpfe m it größeren Ventilq uersch nitten.
Tab . L · B Steuerzeiten un tersch iedlicher Motoren in Grad Ku rb elw ink el [LOSI.
Seri en motoren
Spo r lmotore n
Renn mo toren
Einlass öffnet vo r 0 1
520254050556095104
Einlass sch ließt nach ur
40605580908580105104
Auslass öffnet vor UT
50655580908590110100
Auslass sc hließt nach 01
51025405055609080
Gebra uchs motoren ar beiten m it Ventilsteuerzeiten . die scho n be i nied rig e n Drehzah len
hohes Drehmome nt sowie geri ngen Kraftstoffver b rauch u nd lange Leb e nsd aue r gewä hrlei-
sten: au f Höchst leist ung wird kei n Wert geleg t. Diese relativ ,.za h men" Steue rzeite n ermög-
lichen bei höhe ren Drehzahle n keine g ute Zylinderf üllung.
ßi ld L-51 stel lt die Ventilerhebu ngen ei nes Se rienmotors eine m da raus abgeleit eten Fo r mel-
3-Triebwerk gegenüber. Die Ventilschäfte sind beim Rennmotor von 7 auf 6 mm Durch-
mes ser redu ziert. Der Nockenwelleng r u ndkre is ist vo n 34 auf 30 mm verr ingert. damit die
geforderte Ventilerheb ung oh ne Übersch reitung der ma xima len Flächenpressung erreicht
wir d.
12
e
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i
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iFormel3i
... ----·-- ...·...·r... " :-~-=--- h........'. 9 , _ --=-:~ .,
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-.3n__.-;
•
•
90 180 270 360 450 540 630 720
Kurbelstel l ung ["KW]
4 Baugruppen
Ste ue rzeiten
Serie:
Aö60°KWvUT;
As32"KWn01:
Eö20°KWvor.
Es72"KWnUr.
gennrnctcr: Aö 58 °KW v UT;
As28"KWn01;
Eö33°KWv01;
Es53°KWnUr.
L
Bild L· 51 Vergleich von Steuerze iten zw ischen Ser-enmoto r und da raus abgele itetem Renntriebwerk.
na ch [l1 1J.
Senermotor: 2,0 14 Vent il, Rennmotor : Forme l 3 .
Vent ilhübe (11.15 mm gegenüber 9 .5 mm ). Vent ilerhebung , Sp reizung , Üb er sch n eid un g und Steuerzeiten
we iche n beim Rennmolor sta rk vom Ser ien motor ab .
Üher tr agungseleml'nte follower. Für Rennmotoren kommen Tassenstößel und Schwing-
hcbcl z um Einsatz . Zu r Redu ktion von Reibung und Verschleiß s ind die Gleitflächen DLC·
besch ichtet (diamond Iike carhon) . Diese Schichten sind wen iger als 5 um d ick bei einer
Härte von über 3000 HV (Vickc rsh ärtcg rad c). Die Oberfläche. auf de r eine DLC·Schieht
aufgebracht wi rd, m uss poliert sein. sonst wirk t d ie kontu rtreue DLC-Schie ht extre m abra-
siv, Reibungskoeffiz ienten zw ischen DLC-Flächen und Stahlgegenl äufer liegen bei 0.1 und
für bcid c Lauf partner DLC-beseh ichtet betragen sie die Hälfte d avon l U X].
Tass enstößel bucket tappet. Der Mindcstdurchmcsscr der Tasse hä ngt von der Nockenfo rm
und der Nockenbreite ab. Bild 1.-52.
I
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.
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I
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--~~,IT ~z
i ~I/
Drauf si cht
Bi td 1.-5 2 Durchmesser von Ta sse n stö ßel.
Der Durchmesser m uss so groß sein, dass der Nockenberührpunkt B im-
mer auf dem Tassenboden liegt. Es ist jene Stellung gezeigt. bei welcher
de r Kre isbogen (RSPi tl J gerade die Tasse berüh rt und die g rößte Auswa n-
de rung s max erreicht w ird. Der Punkt B ist also auch der Ansch lusspunkt
dieses Kreisbogens an die r est lich e Nocken f lanke
IS63
L Rennmotoren
Beim Rotieren des Nockens be rüh rt dieser die Tasse im Punkt B. Im Bild wird z ur Ver-
anschaulichung der Nocken festgehalten und stattdessen die Tasse im Gegensinn (Grad
Nockenwinkel °NW) geschwe nkt. Dabei wa ndert der Berü hrpunkt B aus, bis der Kreisbo-
gen mit dem Spitzen ra dins RS pitze beg in nt und die grö ßte Auswanderu ng '\"max erreicht ist.
Bei weiterer Drehung bleibt B - solange de r Spitzenboge n die Tasse bc rührr -. a n der sclbcn
Stelle der Tasse. weil der Krümm ungs mittelp unkt M ja konstant ist. Soba ld der Kreisbogen
ablä uft, dik tiere n andere Krüm mu ngsmi ttcn die Lage des Be rü h rp unk ts und diese r wan-
dert wiede r in Richtung Tasse nmit te. Ocr kleinste Sröücldurchmcssc r hängt darübe r hinaus
noc h von der Nockenb reite ab:
()'
_
.2
hr- o
RSIlI -
smaJl + 2
RSlÖ Stößelra dius [m m]
J max größte Auswa nderu ng des Berü hrpu nkts
[mm ], siehe Bild L-52
bNo Nocke nbreite [m m]
Der Tassend urc hmesser ist weiter s für die größte Ventil hubgeschwindig keit von Bedeu -
tung. Bild L-53.
Für hohe Drehza h len sind gro ße Zeitquersc hnitte für den Lad ungswechsel z we ckm ä ßig.
Das er forde rt bei vorgegebener Öffnun gsze it (Stcuc rzcit) große Ventilhübe und führ t in Fol-
ge zu große n vc ntilhubgcsc hwi ndigkcitc n. Da fü r wiederu m müsse n d ie Stößeldu rchmesse r
angepasst groß se in.
,
~.
IrM
I
B
Bild L-53
Kinematik des Stößelhubs .
Rotiert der Noc ken (Grad Nocke nwinka], " NW) so
bewegt sich der Fassenstöße l (Weg x ). sobald d ie
Nockenkontu r den Grundkreis (Radi us RGrund) ver-
lässt. Die vom N ocken hervorger ufene Stößelbewe-
gung kann durc h einen Schubkurbet-tneb ersetzt
werden . Die Kurbe l (r) reicht bis zum Krümmungs-
m ittelpunk t M der Nockenkontu r m it dem jeweili -
gen Berührpunkt B. Bei gleichmä ßiger Drehung
des Nockens führt eine große Auswande rung s des
Berüh rpunktes B zu einer hohen Hubgeschwindi g-
keil des St ößels.
Schw t ngh eb el (Schlepphcbcl) .fingerfillloll'er. Schwi nghebel übern ehmen wie Stößel die
Seite nkraft des Nockens weisen abe r dabei weniger bewegte Masse auf. Sie können auch
relativ einfach mit einer Rolle ve rsehen werden und so die Reibung im Ventiltrieb wese nt-
lich reduziere n. Auße rdem ka nn eine ba uhö henspa rende Übe rsetz ung zwischen Nocke n-
und Ventilhub realisier t werden . Übliche Hebelüb e rset z unge n liege n zwische n 1,2 bis 1.6.
vo r alle m bei ku rzen Hebeln ist die Gesta ltung de r Autlage tläehe zu m Ventilschaft dafür
entscheidend. dass keine Seitenk raft auf de n Schaft wirkt. Die Krümmungsmittelpunkte
der Autlageko nt ur sollen be im Schwenken des Hebels im me r a uf der verlänger ten Yen-
tilachsc liegen (Wälzbewegung) Bei einer Kreiskontur soll de r Mittelpunkt beim halben
Ventilhub auf de r Vent ilachse liege n.
4 Baugruppen
Das Ventilspiel (m!l'e /ash) wird über Plättchen oder Kappen. die auf de n Vernilschaft
gesteckt werden. ei ngestellt. Das spart gegenüber der komfortablen Lösung der selbsttä-
tigen hydrau lischen Ausgleichselemente von Serienmotore n Masse und erhöht gleichzeitig
die Stei figkeit im v e ntiltrieb. Heb el e nthalten vielfach eine klei ne Bohrung. die Schmicröl
auf d ie Eing riffsflächc spritzt.
Die g rößtmög lichen Flächenpre ssu ngen ts urfo ce pressure y liege n für Tasse ns tö ßel bei
100(J N/mm2 und für Schlepphebel bei 600 N/mm2.
vontüreder vaive spri ng . Die Hauptaufgabe de r Ventilfeder liegt dar in. den Kontakt zw i-
sche n Nocke und Abnehmer bei allen Drehzahlen aufrecht zu erhalten, vgl. Ventilerhebung.
Grenzen in der Auslegu ng ergebe n sich durch den beschränkten Baura um und du rch die
Grenzd rehzahl. bei der Abheben zw ischen Abnehme r und Nocke auftrit t. Darüber hinaus
muss die Eigenfrequenz des Ventiltriebs oberhalb der Höchstdrehzahl der Nockenwelle
(= 0,5 Motordreh za hl) liege n. Zur Redu zie ru ng von Reib verlusten w ird vers ucht auch die
Federma sse durch Gestaltoptimie rung möglichst klein zu halten. So werde n Fed ern mit
ve ränder lich en Steig unge n oder ve rä nde rliche m Windun gsd ur chmesse r gew ickelt. Der
Fede rdraht ka nn zur Vergleichmäßigung der Span nungs verteile ng ein eiförmiges Profil
aufweisen. Federkennlinien werden durch solche Maßnahmen auch vorteilh aft progressiv
gest a ltet.
~32,2
L
•
. ep'!.l '
•
O "O--' 0rO'--~2~OO'--~3~O~O-4~OrO-~5TOO'--~6~O~O-7~O~O
Fede r kraft ( N)
Bild l - 5 4 Ventilfeder eines H o chleist un gsm otor s (Por sche 911). nac h [l OS].
Diese Feder weist eine leic ht prog ressive Kennlinie auf.
K raft bei Vorspannung (9.5 mm): 196 N.
Kraft bei rnax. Ventilhub (hv.ma~ - 11 mm): 589 N.
Im Motor wird eine zweite Fed er in nerhalb d ieser eingebaut Oie Gesam tkräfle sind dan n 334 bzw .
961 N.
Die Drehzahlg renze eines Motors liegt mit einer Ventilfeder aus Stahl bei ca . 16000 min -I
.
Höhere Kurbelwellend reh zahle n lassen sich z. B. mit einer pneumatischen Fede r erzielen.
Diese weist ei ne stark progressive Kennlinie bei extrem geringer Eigenmasse auf. In Serien-
motore n hat die pneumati sche Ventil feder wege n des hohen Aufw ands noch nicht Eingang
gefunde n. Bild L-55 enthält eine Systemübersicht.
1565
L Rennmotoren
Bil d L- 55 Funktiönsprinzip einer pne umat ischen veotnteoer.
1 Druckbehäll er pre ssure reservoir
7 Kolben pis ton
2 Tassenstößel buc ket seooet
8 Kolben dichtung pis ton seal
3 Rückschlagvent il one -way va/va
9 Zylind er ey/inder
4 Zulaufr egler inlet regulator
10 venülsc hattabcichtunq valve stem seal
5 Nockenw ell e camshaft
11 Überdruckve ntil out ler va/va
6 Schwlnqne bel finger touower
Die eigent liche Luftfe der w ird von einem Kolben (7), der in einem Zylinder (9) läuft . gebil-
det. Ein Dru ckbehälter (I ) mit etwa 0,5 bis 0,7 I unter ca. 300 bar stellt über ein DifTcrcnz-
druckvcnti l die Luftversorgung mit 10bis 20 bar sicher . Das Rückschl agventil (3) wird nur
über die Gasfe der geschlossen. Beim Komp rimieren der Luft durch den Nocke n steigt de r
Druck im Zylinder (9) aufetwa 95 bar. die Temperatur aufca. 300 "C an. Starten des Motors
dar f nur be i vollstä ndig gefülltem System erfolgen . Wenn de r Behälter inhalt für eine Ren n-
dista nz nicht reicht. muss er während eines Boxen stopps aufgefüllt werden .
Zylinde rkopfd icht u ng cylinde r head gastet, Bei Serienmotore n besteht die Zylinderkopf-
dichtung aus Montagegrün den aus einer Einheit die sä mtliche Schni ttstellen ( Brennra um.
Öl- und wasscrd urchl ässc sowie cvt. Sek undärl uftka nä1c ) abd ichte t. Meist s ind d ies Mctal-
lage n-Sickendichtu ngen mit ein vulka nisierten Blastomerringen . Bei Rennfahrzeugen we r-
den einzelne Bronze ringe zur Bren nraum abdichtung verbaut, die in entsprechende Nuten
des Kurbelgehäuses eingelegt werden. Die restl iche n Dich tstelle n übern ehmen O -R inge.
Bei Hochdr ehzahlmotoren werden im Brennraumbereic h gerne Garlock Hchc oflcx Ringe
eingesetzt. Dieser Hohlring besteht aus einer Nickellegieru ng (z. 8. lnconel) und ist gasge-
füllt (meis t Stickstoff). Unter Wärmeein wirk ung unterstützt die Ausdehnung des Füllgases
die Dichtwirku ng [Ug].
4 Baugruppen
4.3 Kurbeltrieb Cranktrain
Der Kurbeltrieb beinha ltet sä mt liche Bauteile. d ie bei einer
Leistungssteigerung im Zentrum der Entwicklung stehen:
Der Kolben, das Pleuel. die Kurbelwelle und die Lager. Die
begre nzende G röße ist die (Wa rm- )Fest igkeit d ieser hoch
dynamisch beanspru chten Bauteile. Die Kräft e im Kurbel-
trieb ändern sich über dem Kurbelwinkel und sind von der
Drehzahl und der Last abhängig, Uild 1.-56 . Die eigentliche Arbeit verrichtende Ga skraft
entsteht durch den Verbrenn ungsdruck. der auf den Kolben wirkt. Maximale Verbrennungs-
drücke bei Forrncl-l -Saug rnororcn liegen bei Pma, = \00 bar. Das Druckmaximum liegt
etwa HOnach dem Züud-O'I (0 ° KW) [L03]. Bei konventionellen Pleuelverhältni ssen von
Serienmotoren liegt der ideale Wert bei ca. 12 bis 15 °KW. Die dr ehzahlabhängigen Mas-
senkräfte wirken der Gaskraft entgegen und ände rn während eines Arbeitsspiels ihr Vor-
zeichen mehr fach.
L
20
z
'b
z; 10
o
I
.__ .__ ..!-----
I
270 360
Bildl·56
Kräfte im Kurbelt rieb eines Vierta kt-
m o tors,
Die K räfte im Kurbe ltrieb sind hoch -
dynamisch. Die Gaskrafl verricht et
Nutz ar beit. Die d rehzahla bhäng igen
Massenkräfle wirken ih r entgegen ,
Kur belwelle crankshatt. Das zentrale Bauteil im Kurbeltrieb stel lt d ie Kurbelwelle dar.
Sie übert rägt die oszi llierende Kolbenk raft in eine rotiere nde Bewegu ng und gibt be i Meh r-
zylindermotoren d ie Zünd folge vor. Haupt abmessu ngen typischer Rennm otorw ellen fasst
Tab elle L-9 zusammen.
Die Abmessungen der Lagerzapfen beeinflussen das Reibmoment sowie die Torsions-
und Biegefestigkeit. Bild L. - S7 zeigt den Einfluss der wichtigsten Abmess ungen au f die
Lagerr eibung. Übliche Lager weisen ein Breiten-Dur ehm esser-Verhähn is b l d von 0,3 bis
0,6 (max. 0,8) auf.
Für eine vort eil haft gleich mäßige Dreh momenta bgabe mus s di e Zündun g de r einzel nen
Zylinder im sclbcn Abstand erfolgen. Das setzt voraus, dass die Kröpfungen der Kurbelwel-
le gleichmä ßig über dem Kreisu mfang verteilt sind. Der ideale Zünd- bzw. Kröpfungsab-
stand ist da her 720o/Zylinderzahl bei Viertaktmotoren (Zweita kter : 36()o/Zylinderzahl). Die
Kröpfu ngsan ordnung beei nflusst auch die Masse nkräfte und - momcmc . Zur Mittelebene
sy m metri sche Kurbelwellen sind in dieser Hinsicht zu bevorzu gen . Viertaktmotoren wei-
sen zwei obere Totpun kte auf. die als Zünd-OT in Frage kommen, deshalb gibt es für eine
best im mte Kröpfu ngsanordnu ng meh rere mögliche Zü ndfolgen. Neben dem Drehschw in-
1567
L Rennm otoren
Tab . L -9 Haupl abmes sungen von ly pischen Kurbelwellen einiger Rennse rien [L16].
World Rallye Car
ln dy Racing League
Form el 1
Mo tortyp
4-Zyl. Reihe
V8
VlO
Hubraum Pl
1,6bis3
3,5
3,0
Hub [mm]
"
33
46
Wellenza pfen: o [m m]
56
56.5
"
Brei te [mm )
25.7
26,45
29,5
Hubzapfen: o [mm]
45
46.98
36,5
Brei te [mm )
25
47,1
39
Gesamtlänge [m mj
497
511
577
Gegengewichtsradius (m m]
146
152
105
d
5
~
c
•
•JS
'"•
~
-
"~
-
o
~0,2
Ii' -h;-----i-----'--~--._
0,2
1
3
vergrößerungsfaktor des Parameters [-J
•
Bil d L - 5 7 Einf luss w ichtiger La gergrößen a uf das Reibmome nt.
Den g rö ßten Einf lus s zeigen der Za p fendurchmesser d und das Lagerspiel. D en ge ringsten Einf luss w eis t
die Lagerbreite b auf. Nicht im Diagramm eing etra gen - we il offe nsichtlich - ist der Einfluss der Lage ran-
za hl. Diese erhöht direkt proportional die Reibung und ist somit ebe ntalls ein Kriteriu m bei der Wahl der
M ot orbauform, vg l. Bild L -S8.
gungsvcrhaltcn der Welle ist ein weiterer Gesichtspunkt bei der Wahl der Zündfolge auch
die Druckschwi ngu ng im Abgasstra ng, welche fü r eine Abgas t ur boa uflad ung von Bedeu -
tung ist. Bei V-Motoren können gleiche Zündabstä nde erreicht werden, wenn der Bankwin-
kel dem idealen Zündabst and entspricht. Falls der V-Winkel davon abweicht, können glei-
che Zündabstä nde nur noch durch ei nen Hubzapfe nversatz (Split-Pin) erzielt werden. Dabei
wird ein Zapfen in zwei um den Differenzw inkel zwischen V-Winkel und Zündabstand
verset zte Hälften aufget eilt. In Bild L-58 sind für einige Motorbau formen Kurbel wellen
und übliche Zündfolgen z usam mengestellt.
5681
4 Baugruppe n
L
V1Q
'''~~I) R4: 1·3 ·4 ·2
~'~!I~_~';> V8: 1-8 -3 -6 -4 -5 -2 -7
.~:~/}3,~1 8
,~
'!>'l>.~ 72" V;'-";~.9
-,
.~. "0A5:1-4-3-2
-5
'\ 1,1' /
Vl0:1-7-4-10-3-6-2-9- 5- 8
2,7\ . /3,8
4,9
5, 10
"
>
'!>~6S"~, A6: 1-4 -2 -6 -3 -5
,,'2.'\ '077'/0.." V12:1·7-5 ·11·3-9·6 ·12 ·2-8·4 -10
;1(
\,.,,/1 "e '·" ·5 ·'·3
·"·'·'·'·" ·'"
V12
5,11
3,9
2,8
4,'0
"
•
r-r-t
-
<0 (f) (f) 0;1] •
va
q:J§lCP§l •
Bil d L- 5S Kurbelwellen und Zündfo lgen einiger Meterbaute rmen nach [L02].
Durch die K röpfungsanordnung und d ie Drehnchtunq der Kurb elw elle ergeben sich mög liche Zündl el-
gen .
Die Motore n sind in der Sicht von obe n mit der üblichen Zylindernu mmerieru ng darge-
stel lt. Die Führung de r Abgas rohre u nd die Kupp lu ng (Kraftabgabeseite) sind ebe nfalls
eingetragen. Die Motoren weisen als Reihenmotor und damit auch innerhalb einer Bank
a ls V-Motor eine n gl eichmäßigen Zündabsta nd au f. De nn och sind nu r beim V IO-Motor alle
Zü ndabs tän de gl eichmäßig. Aus Kom fortg r ünden werden bei Pkw-x -Zylinder d esh alb auc h
Kurbe lwelle n mit um 90 ° versetzten Kröpfungen eingesetzt, was bei eine m V-Winkel von
90° ein e gleich mäß ige Zündfolge bewirkt. Der Nachteil liegt dabe i in der für die Leistung
ungünstigen Zusa m menfassung der Abgas rohr e.
Man erke nnt auch die Verwan dtschaft zwischen Reihenmotoren und V-Motore n dop -
pelter Zylinderzahl. die dieselbe Kröpfungsan ordnu ng be nutzen. Interessant ist auch die
Anzahl der Hauptlager. Diese ist neben de r Motorlänge fü r die Reibleistun g von Bede u-
tung. Der Reihe nvierzylinder (R4) braucht gleic h viele wie de r Vx-Moto r. nämlich fünf.
V-Motoren we isen also nebe n ih rer Komp akt hcit a uch de n Vorteil we n iger Lagers tellen au f.
Diese können vergleichsweise kleiner d ime nsio nie rt werde n. weil d urch die höhe re Zylin-
derz ahl die Kräfte pro Lager geringer sind.
Neben der Kröpfungs a ufte ilung ist auch d ie A nzah l d er Gegengewichte für die Belastu ng
der Kur belwelle sow ie ihre r Lugerstelle n und damit des Kurbelge häuses entscheide nd. Wei st
jede Kröpfung ein Paar Gege ngewichte auf, ergibt das zw ar eine in sich g ut ausgeglichene
Welle, erhö ht ab er g leichzei tig die Masse u nd das Massent räg heits moment de r Welle. Be i
Rennk urbelwelle n wird daher ein Kompro miss angestrebt. bei dem mit möglichst wenig
Geg eng ewich ten d ie Lege rbelas tung noch innerhalb d e r zulässigen Gre nzen bleibt.
1569
L Rennmotoren
Bei Einzylin der motore n ist in de r Praxis ein 90-%-A usglcich der osz ill ierenden Massen-
kräfte bei Einsatz einer Ausg lcichswcllc au sreichend . Im Kurtsport und bei Rcnn mot orr ä-
dem werden d ie Ausglcichsw cllcn von manchen Teams entfernt . Als direkte Folge stel len
sich oft Schäden beim Starter motor ein . Außerdem ist die Belas t ung des Fah rzeugrahmen s
größer u nd ma nche Fahrer klagen über Augenfl immern bzw. Sehstör ungen . Eine Aus-
g lcichswcllc kompens ier t in S umme der Eigenschafte n a lso ihre n Gewichts nachte il.
Ölversorger ung lubricat ion , Über d ie Ku rbelwelle we rden d ie Pleuellager u nd d amit a uch
d ie Kolbenbolzenlager mit Schrnicröl versorgt. Die Bohr ungen sollen an Stellen de r Zap-
fen münden, wo das Öl möglichst ungehindert aust reten kann. A m beste n sind Bereiche. an
denen während eines Viertakt-Zyklusses Unte rd ruck auft ritt . Bei Pun klast liegt d ie ideale
Mündung etwa 9(j ° vor dem Kraftangriff. Die Mündu ngsstelle muss gut verr undet werden.
ß ild L-59 zeigt ei nige Mög lichkeiten von Schmierbohru ngen t iubrica tlon hol es) in Kurbel-
wellen.
,
/" I~1',~
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"I'\
Bil d L- 59 Ölboh rungen in Kurbe lwellen.
a Einzelboh rung
b zusätzliche Que rbohrung in Wellenzapfen
c zusätzliche Q uerbohrungen in Hub - u nd Wellenzapfen
d Skizze zur Berech n ung des erforde rlichen Öldrucks
Bei Serienmo toren gela ngt das Öl über Bohr ungen im Hauptlagerstuh l z u den Hauptlager n.
die umlaufende Nuten aufweisen. Über die Hauptlager wird das Öl durch Bohrungen in der
Kurbelwelle weitergeleitet. Weil die Welle rot iert. muss das Öl da her zunä chst gegen sei ne
Massent rägheit bis zur Welle nm ute gepumpt werden. Erst ab da hilft die Fliehk raft bei de r
Ölvcrsorg u ng. Der er forderliche Druc k z ur Überwind ung des Abs tands bis z ur Wellenmitte
hängt also von de r Wellend rehzahl ab, Bild L-59d:
4 Baugruppen
Perf
er forde rlicher Öld r uck [bar]
s
Weg des Öls bis zur Wellenmitte [mm]
POl Dichte des Öls [kg/dm'] . bei Raumtemperatur
istpül ca. 0,9 kg/dm'
wM Kreisfrequ enz der Kurbelwelle [S- I]
WM = ltnM/ 30
L
Bei 15000 min - ' w ird so bei einem Wellenzapfen mit 56 mm Durchm esser ein Öldruck von
ca. X
. 7 bar nötig. Bei hochdrehenden Motoren er folgt die Schmierölzufuhr (oil f eed) dah er
in Wellenmitte. Bild L·60.
N
N
Q
2.7
7.8
'& ,..
-.
Q
3
1 Gehäuse
2 Metallbalg
3 Kurbelwelle
4 Edelstah lrohr
5 Gleitstein aus kuns tharz im-
prägnierte r Hartkohle
Bil d L- 60 Gesta ltung des vorderen Kurbelwellenendes zur Ölveesorqonq, nach [L02].
Eine Gleitringdichtung mit gezielter A npresskra ft «a. 42 N) stellt siche r, dass kein Öl verlo ren geht.
Bild L· 61
Schmie rölversorgung der Lagerste llen an einer
schnell laufenden Kurbelwel le eines V6-Motors.
Das Öl wird vorne a xial in die W elle eingespeist
und m it mög lichst ger ingen umrenkunqen zu den
Hubz apfen geführt.
1 Ölzufuhr
2 Versorgung sbohrung en zu den Pleuellagern
L Rennm otoren
Außerde m weisen solche Motoren einen geringen Hub auf Das verr ingert die Ölwcgc ent-
gege n der Fliehkraft und führt durch große Zapfenüberdeckung zu steiferen Kurbelwellen.
Nebenbei wird die Belastbark eit de r Hauptlagerschale n erhöht, weil d ie so nst erfo rde rlichen
Versorgu ngsn uten entfallen. In Bild L-6t ist ei ne Kurbel wel le eines hochdrehenden V6-
Motors da rgestellt. Die Sch micrölvc rso rgung erfolgt nur über da s vordere Ende . Die Ölboh-
rungen verlaufen in erster Linie parallel zur Wellenachse. Bei längeren Wellen wird das Öl
auch über da s hintere Ende zuge führt .
Leichthau. Kurbelwellen sind aus Stahl und daher sind Maß nah men zur Vermeidung von
Masse lohn end. Erster Ansatz ist die Gc wichtscrlcichtcrung des Hubzapfens. Je leichter
dieser Zapfen ist, desto weniger Gege ngewicht wird erforde rlich. Das wiederu m redu ziert
die Ges amtmasse der Welle und de ren Trägheitsmoment. Bei kleinerem Gege ngewicht kann
dessen Bewegu ngsrad ius ebe nfalls klei n gehalte n werden und damit kann die Kurbelwelle
tief im Kurbelgehäuse angeordnet werden, was den Motorschwerpunkt niedrig halten hilft.
Hild 1,-62 zeigt ei nige Ausfü hrungsvaria nten von Erlcichtcrungs maßnahmc n.
a: Eine Tieflochbohrung durch die gesamte Kurbelwelle entfernt entsp rechend Material z ur
Gewichtsreduktion. Eine so tiefe Boh rung muss mit einem Einlippenbohrer erzeugt wer-
den. Weil dessen Schnitt nicht unterbrochen sein darf, muss dieser Fertigungsschritt zu
Beginn der Herstellu ng vorgenommen werden. Der Bohrungsdurchmesser wird durch
den Hubzapfen begrenzt. Dieser darf von der Bohru ng nicht erfasst werden (Pfeil). Die
Hubzapfen werden durch zwei schräge Boh rungen erleichtert . Zur Spannungsreduktion
wird de r Boh ru ngsgr und mit ein em halbkugclfönnigcn Fräse r fert ig bea rbeitet.
h: Die Ölvcrsorguogsboh ru ngcn sind so groß gewählt, dass sie auch zu r Ge wichtse rleichte-
ru ng beitragen. Die Grenze ergibt sich du rch den minimalen Abstand zu r Hohlkehle des
Hubzapfens (Maß a). Auch diese Boh rungen werden mit Halbkugelgru nd ausgeführt.
a
c
Bild L- 62 Erleichterung von Kurbelwel len, nach [116].
a zentrale Tieflochboh rung
b große Ölversorgungsbohrungen
c dezentrale Tieflochbohrung
4 Baugruppen
Bei dieser Welle werden die Gegengewichte angesch raubt. Dam it ist ein anderer Werk-
stoff mit höherer Dichte möglich, wodurch die Gegengewichte noch kleiner ausgeführt
werden können.
c: Die Hubzapfen werden mit exzentrischen Tieflochbohru ngen (I) erleic htert. Bei de r
gezeigten Well e sind die einzel nen Hubza pfen um llWo verse tzt. des halb werd en auch die
Gege ngewich te von der Tieflochbohrung erfasst. Die Schm lcrötvcrso rg ung der Lager-
stellen erfo lgt ebe nfalls über Tieflochbohrungen (2). Außerdem si nd bei dieser Ausru h-
rung nicht alle Kröpfungen mit Gegengewichten versehen, was die Gesamtmasse des
Bauteils weite r reduzie rt .
Ein weite res Beispiel ei ne r Ren nku rbel wel le zeigt Bild L·63. Bei dieser ist neben de m
Gewicht auch noch der Luftwiderstand herabgesetzt worden. Bei hohen Drehzahlen (ca.
ab 10000 min-') kommt nämlich de r Luftwiderst and (tatsäch lich erzeugt ja ein Öl-Luft-
Acresol im Kurbelgehäuse Widerst a nd) der rotierenden Teile merkl ich zu m Trage n. Vor
allem die auflaufende Flanke muss gut verru ndet und engefast sein. So lassen sich bei 3,0-1 -
Motoren, die über 12ClOOrnin -!drehen, bis zu30 kW an Nutzleistung gewi nnen, die sonst
bloß die Ölrcm pcratur anheben. Eine alterna tive Möglichkeit diese Verluste beinahe ga nz
zu ver meiden ist das Evakuieren des Kurbelgehäuses.
L
Bild L-63
Kurbelwel le eines 4 -Zylinder -Reihenmoto rs.
Die Welle ist durch eine zent rale Tieflochbohr ung
er leichtert. Die Wangen und die Gegengew ichte
sind abgeschrägt. damit der Luftw iderstand redu -
zie rt wi rd.
Zwei weitere Beso nde rheiten von Rennkurbelwellen sind in Bild L-64 zu sehen. Damit
die Gege ngewichte diese r VIO-Welle klein gehalten werden und trotzdem die erforde rliche
Masse erreicht wird, weisen die Wangen Schwe rme tallstopfen (Wolfra m, Pfeil) auf (a). Die
Wangen sind nicht nach aerodyna mischen Gesichtspunkten gestaltet , weil das Kurbelge-
häuse di eses Motors evakuiert wird. Die Kurbel wangen der V8-Welle weisen schneide n-
artige Ränder (Abrlsskantcn. Pfeil) auf, die das aus den Hauptlagern austretende Öl gezielt
abschlcudc m (b).
w erkstorte. Vergütungsstä hle (Ck45, 42CrM04 ). Nitr ierstähle (3ICrMoV9). m ikrolegierte
Stäh le (38M nS6).
Herstellu ng. Rennkurbel wellen werden meist aus dem Vollen ei nteilig gea rbeitet. Bei
Motor en . d ie von Serienagg regaten abgelei tet werde n, ko m me n Sch miedewellen z u m Ein-
L Rennmotoren
Bild L-64
Det ails an Rennk urbelwellen.
a Schwe rmetalls topten im Ge-
gengewicht (Ferrari V10 Tipo
049)
b Abnss kanten an der Kurbel-
wange (Fard Cos wo rlh OFV VB)
satz . Bei d iese n kann d ie Zün dfolge des Roh lings gegen über der Se rie durch Twiste n (Ve r-
drehen) der Wellen zapfen geä nde rt werden.
Wellen von Se rie nfa h rze ugen werde n geschmiede t ode r aber a uch gegosse n.
Sch\\ u n~rad fi.l'\\'hed. Rennmoto ren haben meis t gar kein Schw u ng rad. abgese hen von der
Aufn ahmeplatte fü r d ie Kupplu ng, die gleic hzeitig die Sta rtcrvcrzahnu ng am Umfa ng aufneh-
men kann . falls de r Motor mit ei ne m Elekt rostart e r ange worfe n wird. Eine klei nere Schwung-
masse verlang t nac h eine r höheren Lee rlaufdrehzahl. Ren n moto ren bleibe n im Gege nsa tz zu
Gebrauc hsmoto ren d aher auch schlagartig ste he n. sobald die Zünd u ng abgeschaltet wird.
Diese Flansc hplatte be steht a us Stahl ode r wä rmebe ha ndelte m Alumi niu m.
Pleu el con rod. Das Pleuel ve rbindet den Kolben mit der Kurbelwelle. Es übe rtr ägt Gas-
sow ie Massenkräfte und wird durch die Querbeschleunigu ng de r eige nen Masse gebogen.
De r Schaft w ird d ah e r als biegesteife Stü tze ausgefüh rt. Schäfte vo n gesch miedete n oder
gegosse ne n Ser ienpleuel weisen ha uptsäc hlich ein vorteil haftes I- Profil (Doppel-T -Profil )
auf, Bild L~65. Renn pleuel werde n meist aus dem Vollen gefräst und werde n dan n gerne als
Glattsc haftpleuel m it H- Profil ausgeführt. Ku rze Pleuel (ca . u nte r \3 0 m m ) können a uch als
Messerp leuel ges ta ltet werde n. Sie weise n einen geri nge n Lu ftwid e rsta nd au f und kö nn en
einse itigen Bieg u ng e n von Hubzapfen besse r folgen. Eine ideale Leichtba u- Kombin atio n
aus hoh er Festigkeit u nd geri nge m Luftwide rstand bietet ein ova ler Hohlschaft. Die Pleuel
der hochdrehenden Formel-l -Motoren haben typischerweise ein I-Profil und werde n vom
Kolb en gefü hr t.
Die g rößten Belastungen. nach de nen ein Pleuel ausg elegt wird. stellt die Gaskraft durch
de n maximalen Verbren nungsd ruck im Zylinde r dar lind die Höchstd rehza hl im Über-
sch ncidungs-O'L also wen n p raktisch kein e Gask ra ft der Kolbe nbesc hle un igung e ntgegen-
wirkt. Zün ddrücke liege n f ür Re n n motoren im Bereich um 120 bar für Saug motoren u nd
170 bis 220 bar bei aufgela de nen Triebwerken. Einen Vergleich zw ischen Se rien- und Renn-
ausführung ze igt Bild L-66 . Ein Ol M-Motor wird aus ei ne m Serie naggregat abgeleitet.
Das Renn pleuel ist länger und in Q ucrrichtung bieg esteifet. trotzdem ist seine Gesamt masse
geringer. Dazu muss a llerd ings erwäh nt wer de n. d ass d er Werkstoff des Renn pleuels hoch -
wcrtiger ist. Es gibt ein ige Renn serien . in de nen die Pleuelmasse regle mentiert ist. Aber
4 Baugruppen
L
Bild L-65
Ouer scnnittsoroüte von Pleuel-
s chäften.
a l - Profil (Doppe l-T) /-secrion
b H-Profil H-sectiOn
c Messerprofi l ueae secnon
d Hohlprofil ho/low secsoa
•
"
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I
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720g//<?'
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.J.
Bild L-66
Vergleich von Pleuelstangen eines a.o-r -Ouom o-
tors, nach [L12].
Aus einem Reihensechszylinder w ird ein Renn-
moto r abgeleitet. Bei gleich bleibender Höhe des
Kurbe lgehäuses führt die längere Pleuelstange des
Rennmotors zu einer verkürz ten Kom pre ssionshö-
he des Kolbe ns, Beide Pleuel werden ges chm iedet
allerdings ist de r Werks toff des Rennpleuels hoch -
we rtiger. Dieses ist dahe r auch trotz d es größeren
Stich maßes leichter.
a Serienple uel
b Rennpleuel
auch da gibt es Entwicklungsmöglichkeiten für die Konstru kteure. So ist der Bauraum. den
das Pleuel beansprucht. von Interesse. Weiters wird nach einem optimalen Verhältnis von
rotierende r zu osz illierende r Pleuel masse gesucht.
Die Pleuellänge beeinflusst die Motorhöhe und die Massenk räfte . Übe rlegungen daz u
s iehe Bild L-20.
Die Pleuelbreite ergibt sich aus der zu lässige n Lagerb elastung. Kleinste Breiten VOll 3.0-
l-Form el-l -Motor enliegen bei 12 mm . Serienpl euel sind doppelt so breit.
Pleuelfüße werde n aus Montagegründe n gete ilt. Nu r bei gebau ten Kurbelwellen können
einteilige Pleuel verwendet werde n. Die Lagerdeck el werden über Stifte. Passhülsen oder
Sägeza hn- Profi le zum Pleuel f uß zentriert. Bruc hgetre n nte Pleuel. wie sie in de r Se rie Ein-
ga ng gef u nden haben. kommen wegen des da für e rforderliche n We rksto ffes nich t zum Ein-
satz . Die Verschraubung erfolgt mit hochfeste n Schrauben. die z. B. aus Nimonic bestehen.
Die Schra uben achsen we rde n ma nchm al abweichend von de r üblichen Parallelanord nung
leicht gep feilt a ngest el lt.
Die Sch mierölversorgung des kleinen A uges gesch ieht entwede r über d as vom Kolb en
abgestrei fte Öl bzw. über das Öl aus den Kolbenkühldüsen. das über kleine Bohrungen im
Pleuelkopf eintritt. oder vom großen Auge aus mittels einer eigenen Bohrung dur ch den
Schaft. Für letztere Ausführung biete t sich ein H-Profil a n.
L Rennmotoren
\\'('rkst offe. Vergütu ngsstahl (31CrMoV9. 42C rMo4). Einsal zs ta hl (lRCrN iR, 15CrNi6.
34C rNiMo6 V). Titanlegie r unge n (TiAI4V4). Tita n ist ein schlechter La ufpartner für Stahl
und muss daher an den Berührstelle n (Sei tenflächen der Augen) beschichtet werden oder es
muss eine Bundlagerschale verbaut werde n. Außerde m leide n Tita nple uel an Bohru ngse r-
weiterunge n im Betr ieb. wod urch die Lagerschalen lose we rde n.
He r srett u ng. Gesc hmiede t oder aus dem Vollen gea rbeitet. Se rie npleuel werde n gegosse n,
gesch miedet oder gesi ntert (Sinte r F31).
Kolbe n piston. Nebe n de m Pleuel ist der Kolben das a nsp ruc hsvollste Bauteil. we n n es u m
Dreh z ahl- und Le ist ungssteige r ung geht . Er enthält einen Teil des Bren nraum s . soll mög-
lic hst leic ht sein und dab ei tro tzdem hohe War mfestigkeit au fwe isen . Darübe r hina us benö-
tigt er gute Laufeigenschaften in der Buchse. Kein Wunder. dass Kolben zu de n bcst gehü-
teten Geheim nissen von Ren nmotoren gehö ren. Die Wahl der Baufor m. Bild L-67. wird von
der spezifischen Leistung und de r Bohru ng besti mmt. Der Glattschaftkolben hat nur noch
bei Diesel moto ren eine Bedeutu ng. Der Schaft ist beim Kastenk olben im Nabenbereich ein-
gezogen und liefert so die namensgebende Gestalt. Slipperkolben sind am gesa mten Schaft-
bereich eingezogen und noch stärker gewic htsoptimiert . Slipperkol ben könne n bei ext reme r
Ausreizung ei ne be eint rä chtigt e Geradfüh ru ng a ufweisen. Was ihre n Einsatz wege n de r
dara us folgend en Ge räusch- und Emissionsprob leme in Gebrauchsmotoren einschrä nkt.
[iJmffi]
b
c
d
~
.
wW
Bild L· 67 Kolb enbauar ten schemat isch. Ansicht und Querschnill in Nabenmitte.
a Glattschaftkolben smooth-skirt piston
c Slipperko lben slipper piston
b Kastenko lben full slipper piston
d Fensterkolben
Bild L -68 ist zu entneh men. dass nur geschmiede te Kolbe n den Anfo rderu nge n im Rennsport
gewac hsen sind. Bewährte Bauarten sind de r Fcnst cr-, de r Kaste n- und de r Slipperk olben.
Re n n kolb en sind jedoch d avo n abgesehen d u rchwegs So nde rkonstru ktionen. Die Kom pres-
sionshöhe ist sehr nied rig u nd der Ko lben insgesamt extre m gewichtsoptimiert. Es kommen
nur geschmiedete Kolben z um Einsatz. Die Gewichtsoptimierung und die Kolbenkühlung
sind hier entscheidende Krite rien für die Auslegung dieser Kolben. In de r Formel I sind
spezifische Leistungen von mehr als 200 kW/I und Drehzahlen von mehr als ISOOO I/min
üblich. Die Lebe nsda uer der Kolben ist auf die extremen Bedingunge n abgestim mt [L26].
4 Baugruppen
L
Bild L· 68
Einsatzgrenzen verschiedener
koioen oaua rten .
Die Werte gelten für Ottom otoren
m it Kurbelgehä use bzw .
La ufbuchse a us Graugu ss.
100
7580859095
Kolbendurchmesser ImmJ
7777"7"77"777"77777"
" """"0 " '" "'," , ',','
7"~
~o
;:::;,60
-
~
Typische Abmess ungen (bezogen auf die Bohrung B) von Kolben verschiedener Motoren
können in Tabdie L-IO verglichen werd en.
Tab . L · 1O Kolbenabmessungen von vlertaktmoto ren [L26] . [L39J.
Maßbezeichn ungen: siehe a uch Bild L-69 .
MoB
Ottomotor
Dieselm otor Dl
Serie
Leich tbau
Serie Pkw
Leich tbau
Durchmesser B [mm]
65 bis 105
65 bis 95
Gesamt länge ' Pi IB
0.6 bis 0.7
0.80 ots 0 .95
Kompressionshöhe h p/B
0.30 bis 0,45
0.3 2
0.5 bis 0.6
0,47
Bo lzendurchmesse r d lB
0,20 bis 0,26
0,24
0.32 b is 0,40
0,31
Feuersteg f [m m] bzw . flB
2bis8
0,04
4bis15
0.09
1. Ringsteg 51 ' B
0.040 bis 0 ,055
0.045
0,05 bis 0,09
0.05
Scha ftlänge '-2 ' B
0,4 bis 0,5
0,4
0,50 bis 0.65
0.5
Augenabstand b lB
0.20 bis 0.35
< 0.3
0.20 bis 0.35
0.25
Bodendicke tl B ozw tI.O"
0,06 bis 0.10
< 0,06
0.2
0,09
• für Dieselmo to ren
Den grö ßten Einfluss au fdas Kolbengewicht ze igt dabei die Kompressionshöhe [L39]. Wei-
tere einflus sreiche Bereiche sind der Auge nabst and. der natur gemäß auch d ie Kolbe nbol-
zenmasse diktiert. die Bodenstärke und die Form der Nabcnabstutzung.
Der Bereich der Bolze nbohru ng verdient bei hoch belastete n Kolben hohe Aufmerks am-
keit. Z ur Spannungsentlastu ng sind die Bohrungen zum Pleuel hin formgebohrt und geben
so Raum für die Durchbiegung des Bolzens. Außerdem erhöhen durchgehende. seitliche
Öltaschen die ertragbare Flächenpressung und die Ovalverformung des Bolzens sprengt die
Nabe nicht.
1577
L Rennmotoren
._
-
-_.-
B Bohrungsdurchmesser
bore diameter
d Bolzendurchmesser
pin hole diameter
Ip l Gesamtlänge totallength
h p i Kompressionshöhe
compression height
'2 Schaftlänge skirt length
r Bodendicke aown mcxoess
Id Dehnlänge elonga tiOn length
f Feuersleghöhe top land heighl
5, Höhe erste r Ringslag
pr ring land height
b Augenabs tand boss spacing
-
•
:--
b
~I
B
f--
u·
-
I
D
I'
Bild L· 69 Abmessungen am Kolben.
Die derzeit übliche Baufor m von Rennkolben ist die Kast en-im -K asten S aufo rm (box-
bridged f}7Je). Bild L-70. Die starke Vcrr ippung in Pleuelschwe nkrichtung (Druck bzw.
Gcgcnd rucksc itc) gestattet gerin ge Kompressionshöhen bei gleichzeitiger Red uktio n der
Bodenstärke.
Bei Re n n moto ren werde n auch elekt ron enstrahlges chweißte Kühlk an alkolb en ci ngc -
setzt. Bild L-72. Zur Senkung der Kolbenb odentemperatu r dient eine Anspritzkühlung
über Ölspritzdüscn. die am Laufb ahnende von unten auf den Kolbenbod en spritzcn.
Bild L-70 Formet-t -Kolben geschn itten.
Der Kasten -im -Kasten -Kolben w ird geschmiedet.
nu r der Steg ausb rucn zwischen den Naben wird
a usqef räst. Der Kolbenschaft ist nur da vorhanden,
wo er gebra ucht w ird, nämlich in der Ringzone und
im Druck-Gegendruckbereich. Der Aufnahmebe-
reich für den K olbenboizen ist extrem kurz . Der
Kolben hat bei einer Bohr ung von 95 bis 100 mm
eine Masse von nur 220 bis 250 g,
Bild L· 71 Kolben eines Formel-l -Motors
(A siatech VlO 3,0 I),
Bohrung 9 1 rnm Einlassventi le Durchmesser
40 mm , Auslassventile Durchmesser 30 mm .
Die Ventiltaschen sind lief eingea rbei tet und gut
verrunoet . Man kann da rüber hinaus auch erken -
n en, dass auch gleichnamige Ventile einen Winkel
einschließen, die Ventile also rad ial angeordnet
sind,
57s 1
4 Baugruppen
L
Bild L·72
Rennsportkolben . nach [L09 ].
Seide Kolben sind im Grunde
Kastenkolben mit einer schma-
len scnenc rene. was zu einem
ste ifen Kolben m it allerdings
geringe r Schaftelastizität führt.
a Kü hlka nalkolb e n, elektronen-
st rahlgeschwe ißt
b Fcrmet-t-Kojben
~T--P
b "-----l"-L_ --. JU
~%i.~~--
-
77i
/
:0[ /
r \J:;~
a
Werkstoffe. Al um ini um- Sili zi um-Legi eru nge n, Al u minium-Kupfer- Legi eru ngen u nd
Leicht metall-Verbund werkstoffe . Sifizium karbid -vcrstarktcs Aluminium (MM C). Diese
Leichtmetallkolbe n werd en Molybdä n- oder Dl.Ccbcschichtct und laufen in einer Nikasil-
Bohr ung. Fase rvers türkte Mag nesiumlegie runge n und Konstruk tionskohlenstoff sind viel-
versprechende zuk ünft ige Materialien. Seit 200X we rden bei Dieselmotoren in Lc Mans
geschmiedete Stahlkolben einges etzt (zunächst Pcugcot. 2009 folgte Audi di esem Beispiel).
Herste llu ng. Hochbeanspruchte Kolben werden geschmiedet und - falls geo metrisch erfor-
derlich (Hinterschnitt) - spanend nachbearbeitet . Se rienkolben werden bei geringer Bea n-
spruchung auch gegossen. Kurzfa ser verstärk te Leichtmetalle werden pressgegossen. Pul-
ve r me tallurgisch he rg est ellte Werkst offe (z. B. RSA Rapidly Sotidlfied Alumini um Alloy)
kranken im Motorbetr ieb noch an permanenter Verformung.
Kolbenringe piston rings. Ihre Aufgabe ist die Abdichtung des Kolbens z ur Laufbahn . die
Wärmeabfuhr vom Kolben und die Regulieru ng des Ölhaushalts. Sie tragen etwa zur Hälfte
der Reibleist ung der Kolbeng ruppe bei, die wiederum rund 40 % der Moto rgesamtreibung
stellt. Das Ziel bei der Motorenent wicklu ng sind da her möglichst wenig Ringe mit geringe r
Vorspannung und Bauh öhe. die die geforderte n Funktio nen erfüllen. Undichte Ringe führen
u. a . zu Drehmoment verlust oder in Folge gestörter Kolbenschmie rung zu einem Motorsehe-
den. Eine übliche Serie nbestücku ng besteht aus zwei Verdichtungs- und ein em Ölabst reif-
ring. Renn motoren laufen mitje einem Ring derbeiden Arten. Bild L-73 zeigt einige Arten
von Ringen für Rennmotoren. Der L-Ring (a] wird so eingebaut. dass seine oberste Kante
mitjenerder Kolbenkrone zusammenfallt. Er bietet durchden somit direkt hinter dem senk-
rechten L-Sc henkcl wirkenden Gasd ruck hohe Plattersicherheit auch bei hohen Drehzahl en.
Er neigt jedoch z um Kippen. Zweiteilige Verdichtungsringe (b] kombinieren die Dichtwir-
kung zwcicr einz elner Ringe bei ge ringerer Bauhöhe sowie Reibung und haben eine hoh e
Flatt crdrchzahl. Verdichtungsringe mit Innenfase (c) verwerfen sich durch den asy m me-
trischen Querschnitt tcllcrfönnig. Ist die Fase oben, liegt im drucklosen Zustand nur die
untere Kante des Ringes an der Zylinderwa nd an. Das erhöht die Ölabstrcifwirk ung. Solche
einteiligen Ringe werden mit mi nimalen Höhen von I manchmal soga r O,X mm gefertigt.
Ölabsrrci fnngc werde n vorteilhaft dreiteil ig (d] gestaltet. Zwe i schmale Ringe werden von
einer Bandfeder auf Dista nz gehalten. Die gesa mte Höhe kann unter 2 mm liegen. Das abge-
streifte Öl gelangt über vier bis acht Bohrungen am Nutgrund du rch die Kolbenwand nach
innen und zum Kolbenbolzen.
L Rennmotoren
=-- -
!I;
Bi ld L· 73 Kolb enringe.
bI.2
a L-Ring L ring
b zwe iteiliger Verd icht ungsring
compression ring
1 Dichlring in einer Zu sat z nut im
Kolben
2 Hauplring mit balligem Belag
c R ing mit Innenf ase
ring wirh »wae beYe!
d d reiteiliger Ola bst reitnnq
oi/ contral ring
a bis c sind Verdictttu nq srin qe,
w erden also in de r ersten Ringn ut
eingesetzt.
Werkstorre. Sphärog uss vergütet. Stähle für hohe Bruch sicherheit (n ied r ige Rin ge S 1.2 mm .
hohe Dre hzahle n): Cr-Ni-Sraht . X90CrMo VI 8, 67SiCr5. Die Lau fflä che e rhält Ver schlei ß-
schutzsc hichten (z. B. Pv p -Schichtcn).
Herstellu ng. Die für den Vorspannungsverlauf entscheidende Form entst eht durch Doppel-
formdrehen . Stahlringe we rden gewickelt.
Kolb enh olz en gudgeon pin. Kolbenbolzen von Rennm otoren sind schwimme nd in Kolben
und Pleuel gelage rt. In Gebrauchsmotore n werden Bolze n auch in das klei ne Pleuelauge
ei ngepresst. Bewährte Ab messu ngen von Kolbenbolzen ze igt Tabelle L- II.
Tab . L -11 Abmess ungen von «ceeooceeo.
MoB
Ottomotor
Dieselmoto r
Rennmoto r
Außendurchmesser dolB 0,24 bis 0,28 0,30 ce 0,35 0,2 bis 0.22
,
--,
Innendurchmesser d,ldo 0.55 bis 0,65 0,48 bis 0.52
;11
I=: 1
Lä nge 1/8
0.70 bis 0.75 0.70 bis 0.75
0.5
Die Mas se bei Kolbe nbolze n kann z u näc hst durch Verri ngeru ng der Bolze nlänge reduziert
werden. Weitere Einspa ru nge n sind durch A npassung der Gestalt an die Belastung zu erz ie-
len , Bild L-74.
Es w urden auch schon Potentialunters uchungen a n Bolze n mit I-Profil durc hgefüh rt. Die
Masseeinsp a rung bet r ug 30 % [L39].
Masse : 100%
97%
95%
Bil d L-74 Massee insparung bei K olb enb elz e n. nach [L39j.
Der Bo lzen mit den Abmessungen 19,5 x 12 x 63 mm (10 0 % Masse ) wird in der Gesta lt der Be lastung
angepasst ind em die Innenform geändert wird.
580 I
4 Baugruppen
Werkst orre. Einsat zstahl (16MnCr5. 15CrNi6 (DIN 73 126». Nitrierstahl (3ICrMoV9 (DIN
73 126» . Hochbelastete Bolzen bestehen aus ESU-Stah l (Elektro-Sehlaeke-Umschmclzver-
fahre n) . Keramik (Siliz iu mnitrid Si3N4) erlaubt Masseei nspa ru ng bis 50 % im Vergleich
zu Stahl. führt aber zu Geräuschproblemen wegen der geringen Wärmeausdehnung. Das ist
allerdings nur für Gebrauchsmotoren ein Nachteil.
Kotbenb otze nstc herung iocoting circlip, Die übliche Dra htri ngsiche rung ka n n bei höch -
sten Drehzahlen (> 12000 min-t) zum Problem werden . Springt ein flatternder ode r gebro-
chener Ring aus seiner Nut. ist ein Moto rschaden unau sweich lich. Sicherungsringe we rde n
dah er eingesc hraubt ode r sind spez iell gest altet. Bild L-75.
Die Schraubsicher ung (a) wird eingeschraubt und ihr Kragen zur Verdrehsicheru ng in
eine Aussparung des Kolbens verste mmt. Der Drahtsicherungsring (b) ist wesentlich leich-
ter. Die Lage der radialen Nut für die Verdrehsicherung ist allerdings entscheidend für die
Drehzahl-Tauglichkeit. Das Drahtende z ur Verdrehsicherung muss auch nach außen abgc-
win kclt werde n. Serienlösungen haben nach innen abgewickelte Enden. deren Massenträg-
heit bei hohen Drehzahlen den Ring tatsächlich aus der Nut springen lassen. Eine weitere
Möglichkeit stellen Teflon-Stopfen dar, die seitlich in die Bolzenbohrung gesteckt werden.
L
Bil d L-75
Kolbenbolzensicherungen .
a Bchra ubaicherunq nuttype reuarer
b Drahlsprengring wire circlip
4.4 Kurbelgehäuse Crankcase
Das Kurbelgehäuse ist das zent rale und größte Bauteil eines Motors. Es beherbergt die Kur-
belwelle und nim mt meist auch die Kolbenla ufbah n (so genanntes Zylinderku rbelgehäuse)
direkt od er als Laufbuchsen auf. Es stellt die Verbindung zum Getriebe her und nimmt die
Motorlager auf oder wird direkt an den Rahmen bzw. an das Monocoque angeschraubt. Bei
voll mitt ragend angeo rdneten Moto ren muss es auch eine n Großteil (einen Anteil überneh-
me n meist die Zylinde rköpfe) der auftrete nden Kräfte und Moment e zwischen den Ach -
sen des Fahrzeugs übertragen. Die Zylinderköpfe werden ebenfalls aufdas Kurbelgehäuse
geschraubt wie auch Nebe naggregate. Auße rdem wird ein Teil des Kühl- und Sch miersys-
tems durch das Kurbelgehäuse gebildet.
L Rennm otoren
Bei Serienmoloren reicht der Wasserma ntel (I ) meist bis zum Kurbelraum. Bild L.~76. Die
Lager ung der Kurbelwelle wird von Schottwänden (4) aufgenommen. die örtlich durch Rip-
pen und Stege ve rstei ft werd en. Ocr Gas austa usch zwische n den Kurbelräumen einzel ne r
Zylinder wird durch Öffnungen (3) in den Schottwä nden erleichtert. Die Ölvcrsorgung der
Hauptlager erfolgt über Bohrungen in den Schonwä nden. d ie die Hauptölgalcric (2) treffen.
Lagerdeckel halten die Kurbelwelle über zwei Sch raube n. Das Gehäuse wird nach unte n
von einer Ölwa nne abgesc hlosse n, in der der Ölvorrat gespeichert wird.
Bei Rennmotoren umspült die KühlAüssigkcit (2) nur ei n Viertel bis ei n Drittel der Buch-
senlänge. Bi ld L-77. Ocr Zylinderkopf hai mitunter ein getre nntes Kühlsystem mit einer
wese ntlich ge ringe ren Küh lmittcltemp e ratu r. Die La ufb uchse (1) ist ein eige nes Bauteil.
das von oben einge steckt wird. Das sorgt für geringere n Verzug der Buchse beim Ver-
schra uben des Zylinderkopfs und fiir besse re Kühlungsverhältn isse. Der Kurbelraum ist
glatt und kreisru nd ausgefüh rt. Das Unterteil des Gehäuses bildet dabei die zwe ite Hälfte
Bild L-76
Gesta ltu ngsmerkmale eines
Senenkerbelqehäuses.
Das Kurbelgehäuse gehört zu einem Reihenmotor
und behe rberg t die Laufbahn des Ko lbens direkt.
Die Kurbelwelle wird von un ten du rch Lagerdeckel
gehalten . Den Abschluss nach unten b ildet eine 01-
warme . die gleichzeit ig den Ofvc rrat aufn immt.
1 Wasse rman tel water jacket
2 Ha uptörkana i main oil gallery
3 Durchbruch in Schottwand
passage in bulkhead
4 Schottwand bulktJead
5 Lage rde ckel bearing cap
Bild L-77
Ges taltunqsmerkmale eines Pennkurbelpehä uses.
1 Lau/buchse (nass) liner (wel)
2 Wasse rma nlei water ja cket
3 Öffnung zum Saugkanal
passage 10 suction gallery
4 Baugruppen
L
und den .. Lagcrdcckel". Die Verschra ubung erfolgt wegen der höheren Belastung besonders
bei V-Motoren meist über vier Schraube n. Die Schonwä nde. d ie d ie Kurbelwellenlage r au f-
nehmen. s ind m assiv bzw. doppelwandig ausgefü hr t. Das Öl-Luftge miseh wird über eine
hobeifö rmige Öffn ung (3) fü r je de Kurbelka m mer (bei V-Motoren de r Bereich für zwei
Pleuel am sei bcn Hubzapfen) abges augt .
Die Laufb ahn des Kolbens wird entweder direkt vom Kurbelgehäuse gestellt oder es
wi rd eine sepa rate Buchse eingepress t bzw. ei ngeschoben. Laufb uchse n von Rennm otoren
bestehen meist aus nika silbcsc hichtctcrn A lum inium. Merkma le von solchen Laufb uchsen
zeigt Bild L-7H.
An der Oberseite weise n manche Kurbelgehä use flache Nuten au f. die am Rand des Zwi-
ckclbcrcichs zwischen benac hbar ten Zylinderboh runge n münden. Dami t lassen sich f rüh -
zeitig Leckage n der Zylinderkopfdicht ungen erkennen [ L27].
Es sind zwei versch iedene B uchsen samt der ent-
sprechenden A ufnahm eb ohr u ng des Ku rb elge -
häuses da rgestellt.
a Nasse stehend e Buchse mid -stop liner
b Nasse hängende Laufbuchs e wet liner
Bild L-78
Gesta ltungsme rkmale von Lau tbuchsen .
Die Maße sind Mittelwerte von Formel-I -B uchsen
und in Relation zum Boh rungsdurchmesse r Ban -
gege ben.
hc Höhe des Wassermante ls
bisth
b
~t 228
a
.
.
0°1
,lI '128
°
•
/
0
.
>-'
ho" t
•
H
OB
I
•
•
"
•o
Bil d L· 79 Kurbe lgehä use eines 3,0- 1VtO-Zylinder Form el -1-Mo to rs (Asiatech 200t).
Der B lock ist aus Leichtmetall gegossen und vereinigt zwei Bä nke im Winkel von 72". Er nimmt troc kene
eingepresste Laufb uchsen auf. Die Kupplun gs seite (Kraftabg abese ite) ist links im Bild .
Bohrung xHub « 91x46,t mm.
1583
L Rennm otoren
Bild L-SO
Kurbelgehäuse aus Titan
(Ferrari Formel 1 V12 Zylinder
' 995).
Das Teil ist geg os sen und sp a-
nend bearbeitet. Es umfasst die
Laureuensen. d ie von oben ein-
gesteckt werden, und nimmt den
oberen Teil der Kurbelwellenlager
auf (Zylinderkurbelgehäuse).
Werkstoffe. Alumi nium legie runge n (A1Si9Cu3. A1Si6Cu4. A1SiI7Cu4Mg. AISi7Mg wa],
Magnesiumlegi e r ung en. Bei Ser ien moto ren werden a uch Eisen we rksto ffe ve rgosse n (G 3L-
240, G3L-30o, G3V )
Her st ellun g. Kurbclgchäusc-Ober- und -Unte rteil werde n gegossen . Wegen der ge ringen
Stückza hl bieten sich Verfah ren wie Sandguss und Feinguss an. Minimale w andstärken
lieg e n bei 2,5 bis 2 mm, was bei so großen Bauteile n nicht alle Gießereien schaffen .
Serienteile werde n im Kokille nguss. Druckguss ode r Corc-Packag mg-Vcrfabrcn mit
min . 4 mm Wandstärke gefertigt .
Hauptlag er main bearings . Die Lebe nsda uer von Gleitlagerschalen liegt bei etwa 30 h für
Langstreckenrennen. Das reicht für ein 24-Stunden- Rennen inklusive eines Testlaufs [Ln }.
Bei Spri ntbewe rben werden die Lagerschalen nach ca. 120(J km ge nerell au s Sicherheits-
gr ünden ausgetauscht. Es komm en Dreistofflager und Spurte r-Leger zu m Einsatz. Manche
Motoren weisen auch Wälzlagerungen (Zyhndcrrollcnlagcr mit teilbarem Käfig) auf und es
werden auch Mischvari anten gewählt.
So waren bei m erfolgreichen 12-Zylinder-IS OO-V- Motor des Ferra ri 312B das erste und
letzte Hauptlager ein Kugellage r währe nd die übrigen Gleitlager ware n.
Wälzlager werden bei Serienmotore n teilweise schon eingese tzt. allerdings bisher bei
Ausgleichswellen. Noc kenwel lenlager sind de rz eit im Proto ty pe nst adiu m u nd Kur bclw cl-
lculagcr in der Konzeptphase. Den Vorteilen de r geringeren Reibung gege nübe r de n Gleit-
lagern stehen Probleme in ak ustischen Belange n und der größere Einbauraum gegenüber.
4.5 Ansauganlage Induction sys tem
Die Ansaugan lage mu ss de n Motor mit möglichst ger inge n Verluste n mit der erforderl ichen
Verbrennu ngsluft verso rgen . Wichtig dafür ist der gleich mäß ige Verlauf der Luftstrecke .
Querschnittssprünge oder Absätze an Trennstellen (Saugrohr - Zylinderkopf ctc.) sind
unbedingt zu vermeiden . Hochleistungs motoren haben du rchwegs Einzelsaug rohre und
5841
4 Baugruppen
L
a
-
Bild L- 81 Systemübersieht von A n sau ga n lage n.
Das Drosselorgan en tfäl lt bei Diese lmo to ren und Ot to-Direktemspntzer;
a für Sauqrnotor naturally aspirated angina
b fü r aufgel adene n Motor cha rged eng ine
1 Rohluttans auqunq air intake
1 Rohlu tta nsa ug ung air intake
2 Luftfi lter air filter
2 Luftfilter air filter
3 Luftver teiler plenum
3 Verdichter compressor
4 Saugroh r (mit Drossetorqanj intake man/fold 4 t.aoenntküme r intercooler
(wirh throWej
5 ver teaervoiomen m it Rohrstutzen (samt Drossel-
organ) pl enum w ith pipe sockets (and th ro ttle )
_
_
1._
.
-
-
-
-
-
.
-
-r
1
.:
.--
--
Bild L- 82 A nsa ugtrakl eines Formel-l -Motors.
1 Kan al im Zylinde rkopf
2 Drosselklappenstutzen
3 Ansauglrichte r
Das Saugrohr wi rd von Teil 2 und 3 gebil det und m it
d em Zylinder k opf versch raubt. Der va-Motcr hat se ine
Nenndrehzahl bei 13 500 rmn- r bei einem Hubraum
von 3,5 I. Die Kanalzweige werden bereits im Zylin-
der kopf a uf ei nen k r eise u er sc hnitt zusammengeführt.
Die Drosse lklappe sitzt knapp vor dem Zylinderkopf-
flansch. Ih re Welle is t im Strömungsbe reich ab geflacht.
Der Einlaultri ch ter ist gut gerundet.
Für eine eindimensionale Strömungsrechnung wi rd
die Kanallänge mit 224,8 mm angesetzt. d. n. 10 mm
kommen zur mittleren Ka nall änge zur Berücksichti-
gung der Ventiltellerwi rkung hinzu [L24].
1585
L Rennmotoren
keine Sp in ne nsaugrohre o. ä . wie man c he Gebra uchs motoren. In d er Artsa uganlage tre ten
gasdynamische Vorgänge induziert durch die pe riodische Kolbenbeweg ung auf. Durch ent-
sprechende Gestaltu ng de r A nlage können Resonanze n gezielt zur Steigerung des Licfc r-
grads verwendet werden. D ie Ansa nga nlage ist im Grunde b ei allen Verb renn ungsmotoren
gleich. Untersc hiede ergeben sich d urc h die A rt der Steue rung (Drossclo rgan bei Ott omo -
toren mit Quantitätsstcucrungj bzw. durch eine Aufladung. Bild L -IU. An aufgehldenen
Motoren besteht das Sa ugroh r a us einem große n Se m melbehälte r a us de m k urze Roh rst ul-
zcn zu den einzelnen Zylinde rn führen.
Der Reinluftbe reic h (strom abwärts n ac h de m Luftfilte r) aufgelade ne r Mo tore n weist
wese ntlic h me h r Ein ba uten a uf a ls jener von Saugmotore n. Dagegen ist das Verte ilvolu men.
das in ers ter Lin ie f ür die n amensgebende Aufg abe zuständig ist , einfach ge halten, w äh rend
beim Saug motor dieses Teil au fwä nd ig entwickelt wird . weil es maßgeblich den Lei stu ngs -
verlauf des Motors beeinflusst.
Airbox (ljrhox. Die Verbrennungsluft wird an einer günst igen Stelle des Fahrzeugs angc -
saugt. Bel Einsitzern wird gerne der Bereich oberhalb des Fahrerhelms und innerhalb des
Überrollbügels gewählt. Dabei kann ei n le ichter Staueffekt zu r Leistu ngsste iger ung ausge -
nutzt werden. Beim j-l -Sa ugmotor des Fcrrari FI·200() führte der durch 350 km/h res ultie-
rend e Drucka nstieg von O,05S ba r (entspr icht einer D ichtes te iger ung der Luft u m 5.S %) zu
einer Leist u ngszuname von 6(1) kW a u f 646 kW [L35). Bei geschlosse ne n Cockpits g ela ngt
die Luft über Schno rchel, NACA-Ei nlässe ode r durch Hutz en ins Fahrzeugi nnere. Bei Ral -
lyefahrzeuge n w ird de r Luftei nlass für beso ndere Einsä tze m it ei nem Schnorch el bis au f das
Dachniveau a ngehobe n. d a mit bei Wasserdurchfahrte n die entste henden Bugw ell en n icht in
den A nsa ugtr akt gela ngen können. Die Aufgabe von Airboxen ist neben da Rohlu tt ensau-
gung das g leich mäßige Verteile n der Luft auf d ie e inz elnen A nsa ugstellen der Zyl inde r und
das Red u z iere n der St r ömu ngsgeschwi ndig keit. was zwangslä u fig z u eine m Druckanstieg
f üh rt ( Diffusorw irkung) . Außerde m hält der Unterte il der Air box die Wä rmestrah lung des
Motors von der A nsa ngluft ab. Da rübe r hi n aus be herbergt dir Airbox me ist den Luftfilter,
Bild L-83
Airbo x eines Formelwagens .
1 Lutt eintritt innerhalb des Über -
rollbügels
2 Oberte il der Airbo x mit Diffuso r
u nd Ver teilvolumen
3 Luftf ilter
4 Unterte il der Airbo x, am Motor
befes tigt
4 Baugruppen
Bild lAB . Das Volumen der Airbox betrug bei den 3-I-Saugmotoren de r Formel I etwa 50 I
[L43].
Die Form ist nieht nur innen interessant. sonde rn auch außen: Bei Formelwagen verläuft
sie nach hinten verjüngt aus. da mit die Außenkontur des Wagens möglichst wenig gestört
wird. Das Heck sollja schlank auslaufen und dadurch die Anströmung des Heckflügels ver-
gleichmä ßigen. Der Druckpun kt des Fahrzeugs kann du rch eine in der Seitena nsicht große
Airbox nach hinten verlagert werden,
Tatsächlich kommt es auch bei Airboxen zu Leistungsunterschieden einzelner Zylinder.
Der Gru nd liegt in Druckschwing ungen innerhalb des Luftverteilcrs . die durch d ic zü ndfol-
geabhäng igen Ansaugvorgänge der einze lnen Zylinde r induziert werden. Bild L·84. Die-
se Druckwellen führen je nach Ausprägu ng zu einer Bevorzugung bzw, Benachteiligung
e ines Zylinders und damit z u ungleiche n Leistungsabga ben . Erschwe r t wi rd ein e Behebu ng
dieses Phänomens durch die Drehza hlabhängigkeit der Druckschwingungen.
Bei Vergaser motoren ist noch zu beachten. dass die Bclüftungsbohru ngen der Schwim-
merkammer ebenso innerhalb der Airbox münden, andernfalls kann die Druckdiffcren z so
groß werden. dass die Gemischz usammensetzung außerhalb der Zündgrenzen liegt.
Airboxen kommen aueh vorteilhaft zum Einsatz. wenn ein Luftmengenbegrenzer vorge-
schrieben ist, siehe unten.
L
o
o,os
0,04
"g
"o
-0,04
eero
o
180
360
540
Kurbe l s tellung [ 'KW)
Bild L-84
Druckschwingungen in einer Airbox
eines Vl0-Zylinder-Motors. nach
[L43].
Der Druckverlauf bei 15000 rran - t ist
für drei Stellen über dem Kurbelwin-
kel aufgetragen. Für zwei benach -
barte Ansaugtrichter (Zyl. 5 und 10)
sind zusätzlich die Steuerzeiten der
Einlassventile eingezeichnet.
Bild L· 8S
Luftf ilter an einem V8-Motor eines
Formel-Wagens (Lola Zytek 3000).
Der Lv ttemtrttt mit dem Oberteil der
Airbo x ist abgenommen. Man er-
kennt rechts im B ild d ie Kontu r der
Mo to raboeckurq. Im Vorderg rund
die Saugrohre mit dem Flachschie-
ber und de r Kraftstoffverteil leiste.
L Rennm otoren
Sa ugrohr intuke ma nifold. Der Qu er schnitt eines krcisförm igcn Saug rohrs kan n aus fol-
gender Beziehung erm itte lt werden [L25]:
4
Ao Einzelrohrquerschnitt mit Kreisform [mm -]
~) <), · Pc.max
·-
2
Z
ks
spezifischer Einz cl rohrqucrsc hnittsfaktor [mrn lkW }.
ks0::: 11 bis 20 rnrn-zkw, die obere Grenze gilt für
Hochleistu ngs motore n.
p c.max ma ximale effekt ive Motorleist ung lkW]
z
Anza hl tlcr Zylindcr[- ]
Der ideale Saugrohrquerschnitt ist die Kreisform. Wird der Quersc hnitt rechteckig ausge-
führt, muss zur Kompensation der geä nderten Reibungsverhältnisse die Fläche vergrößert
.. .. 'erden. Aus den Bedingunge n. dass sowohl Druck verlust als auch Luftmasse ndurchsatz
gleich bleibe n müssen, folgt für die Länge u des Rechtecks. Bild L-86, bei einphasiger, tur-
bulente r Gass t römu ng (2300 :5 Re :5 ](..~) [L25]:
a
Bas islä nge des Einzelro hr-Rechteckque rschnitts [mm]
d Du rch messe r des Einz elrohr- Kreisque rsc hnitts [mm]
$ Seite nver hältnis des Rechtec kquerschnitts I-I .
orbta.
Die erforderliche Querschnittsvergrößerung bzw. die Basislänge des Rechtecks als Funkti-
on des Seitenverhältnisses zeigt Bild L-R6 grafisch.
Die Saugroh rlänge folgt bei bekanntem Rohrquerschnitt aus dem erforderlichen Saug-
rohrvolumen. Das Volumen soll zur Ausnutzu ng gasdyna mischer Effekte bei einem Saug-
motor ca. das 1,5- bis 3-fache des von ihm versorgten Hubraums sein [L I5}. Beim Saugrohr
überlagern sich dieselben gege nteiligen gasdynamischen Effekte wie sie auch bei der Ein-
Seitenve rhältn i s <P
/
..... .. ...
J
",
\,
.......
b
<P =-
a
4
3
2
I-J
~1,0
•
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•
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•
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m
•; 0,2
g
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~
4
3
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~.
l.. 1,16
o
~
~1,12
~
•o
§ 1,08
"•
~1,04
"e
~ 1,0
Bild L-8 6 Erforderliche Qu er sch nitt sver gr ößer un g bei Übergang von einem kreis tö rmiqen au f einem
recntecktörmlqen Sauqrohrq uerschrutt, nach (L2 5].
A us dem Sei tenve rhältnis 1J des Rechtecks folgt d ie nöt ige Zunahme des Rech teckque rschn itts A o
bzw. die Basislänge a des Rechtecks .
5881
4 Baugruppen
L
lasskanalgcstaltu ng abge wogen we rde n müssen. vg1. Bild L-33. Mit steigende m Roh rd urch-
messer verlagert sich das Maximum des Luftaufwands z u höheren Dreh zahlen, Bild L-87.
Ein langes Saugrohr führt zu hohem Luftaufwa nd bei niedrigen Drehzahlen, allerdings
auch zu Leistungseinbußen v,'egen der damit verbundenen größeren Wandreibu ng. Umge-
kehrt liegt die Resonan z eines kurzen Saugrohrs bei hohen Dreh zahlen und das wirkt sich
in hohem Luftaufwan d sowie kombinie rt mit hohcr Drehzahl in hohcr Leistung aus. Bild
L-SS
Die im G ru nde allge mein gültigen resultiere nde n Ergeb niss e des Einfl usses von Sa ug-
rohr länge und -durchmcsscr besch reibt Bild L·S9 für ei nen 2-I-Ottomotor.
Für die Saugrohrlänge muss daher ein Kompromiss zwischen fülliger Leistungskurve
und hohcr Leistung bei Nennd rehza hl gef unde n werde n. Tech nisch idea l wäre natü rlich
ein Saug rohr mit veränderlicher Länge und Durchmesser. Dan n ließen sich für jede Last
und Drehzahl die optimalen Abmessungen einstel len. Zumindest für die variable Länge
existieren za hlreiche Ausfüh rungen. An Oberklasse-Ser ienfahrzeugen kommen Sa ugro hre
mit mehrfach gestuften Längen zu m Einsatz. In der Formel I wurden stufe nlos verstellbare
Systeme angewandt, solange sie vom Reglement gestattet waren, Bild L-90 .
000,-· _
r».., \
I/\
'.
/:. -
/ \\ ~ ..... -:.;....
Bild L· 87
Luftaufw and als Fu nktion des Rchrd erchmes -
sers.
Das Maximum des Luftaufwands steigt mit dem
Rohrdu rch m esser. verlage rt sich aber gleichzei -
tig zu hohen Drehz ahlen.
Dr eh zahl nw
Bild L-88
Maximalleistung als Funkt ion der Saugroh rlän-
ge. nac h [L15] .
Die Max imalleistung ist auf den Hubra um bezo -
gen.
10000
•••••• _ •• -1
i:
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·
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_
..410mm;
·····..·· 385mml
---
-
355 mm
--
-
325 mm
700 0
8000
90 00
c r-e nzan t n. Imin"'l
j,I
.... //- ~
..... ~....
so
50 +-- --;-
-
..;..-
-
;-- --;.__
6000
L Rennm otoren
bestes
c
.
44
•
•
•
~
e,
~
~42
o
c
g
•w
,
-
------ ----- -
....-- "'1
46
40
350
400
450
Saugrohrlänge
500
[mm]
550
4 Drosselklappe mit Potentiometer throttle wirh potentiometer
5 ECU (Motorsteuerqeräü ECU (engine contral unit)
6 hydraulischer Vertei ler hydrau/ic distribular
Bild L· S9 Einfl uss von Saugrohrdurchmesser und -tänqe a uf ma x imales Drehmoment und Leis tung.
nach [L23].
Rechene rgebn isse für einen 2-1-4-Ventil-Ottomotor. D ie Bestwerte für die Maximalleistung Pe.m•• liefert
ein Sa ug rohr mittlerer Länge (450 mm) und relativ großen Durchmessers (über 44 mm). W ird der Du rch-
messer verk leinert n immt d ie Maximalleistung ab , Man erkennt auch, dass die Leistunq gleich bleibt,
wenn mit dem Du rchmesser d ie Länge abnimmt. Lange Saugrohre (über 550 mm) ergeben Bestwerte
des Ma ximalmoments bei mitt leren Durchmessern (42 b is 44 mnü Mit der länge n immt auch das Maxi-
malrnoment ab,
Bild L·90 Verstellbare saugrohrlänge an einem a.s -r-rormet-t-saoqrnctcr.
Hyd raulische Ko lben (2) verstellen die Länge der Ansaugtrichter (1) und damit d ie Eigenfrequenz des
Ansa ugsys tems.
1 Ansaugtr ichter inralle trumoes
2 Hydraulikzylinder hydraulic cy/inder
3 Einspritzventil /njecrlon valve
590 I
4 Baugruppen
L
Bild L·91
Scha ltsaug rohr (Ferrari Formel 1
V10-Zylinder).
Das Schnittmodell zeigt den
Bereich des Saugrohrs, der d ie
Drosselklappen aufnimmt. An
d iesem gleiten die Einlasst rich -
ter auf und ab, Die Stell ung de r
Trichter wi rd übe r die beiden
links im Bild erkennbaren Hebe l
verändert. Die Drosse lklappen
werden über E-Gas angesteuert.
Man beachte auch die Lage der
Einspritzventile: Sie sind vor den
Ansaugtrichtern angeo rdnet.
Ansa ugtr ichte rges ta lt ung. Der Gesta ltung des Ansaugt richte rs kommt große Bedeutu ng
zu, weil an die ser Stelle des Saugtrakts - abgesehen vom Luftfilter - die ersten Verluste ent-
ste hen können, die nicht mehr wett gemacht werde n können . Die Luft strö mt überw iegend
seitlich ein (Bild L-92b). daher ist ein Ansa ugtrichte r mit eine r Rund ung, die mindeste ns
900 zur Trichterachs e reicht füllungsfördernd . Der Rundungsrad ius soll mindesten s Y. des
mittle ren Strö mungsdurchmessers sein . Eine sinnvo lle Komb ination aus Kegel- und Zylin-
~160
o
g 140
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a
7000
9000
Drehzahl n, [min" )
7000
9000
b Drehzahl n" [min '"
7000
9000
C Drehzahl n. [min-']
Bild L· 92 Versuchsergebnisse an einem Rennmotor. nach [L15].
a Einlauf ger undet mit min. 0,25 d bis 90· zu Saugrohrachse (4}
b Luft strömt vorwiegend seitlich ein: Die Platte (2) stör t erst. wenn die Ringspa ltfläche kleiner als der
Saugrohrquerschnitt wi rd
c Höchste, aber sp itzeste Lei stu ng mit Ausführung (1), Zylindrisches Saugrohr (3) ergibt günstigen , li-
nearen Leistungsverla uf. Der Leistungsverla uf von Ausführung (2) liegt zw ischen (1) und (3) und stellt
einen brauchbaren Komp romiss dar,
1591
L Rennmotoren
de rstücken ergibt de n brauchbarste n Leistu ngsve rlauf ßtld L· 92 c, Ausfü h ru ng (2 ). Ein
ausgeprägt trichtcrförmigcs Saugrohr (I) bringt zwar d ie höchste Maximalleistu ng. aller-
dings ist der Verlauf sehr steil. J. h. man braucht ein eng abgestu ftes Get riebe.
Den prinzipielle n Verla uf von Qu e rschn itt en fllr de n Ansa ugtrakt bei Spo rt molo ren
zeigt Hild L-9J . Füreine Nenndrehzahl von 5500 bis6000 min-' muss die Länge L etwa
400 mm betragen. Ocr Luftaufwa nd zwischen 3000 bis 6000 mln-' ka nn noch weiterge-
steige rt werden. wenn die Länge über 600 mrn angehoben wird und de r Ansa ugtrichter
vergrößert wird. Durch die Engstelle wird der Luftau fwand im Drehzahlbereich 3000 bis
5500 min-! angehoben. Soll der Luft aufwand über 5500 min-! höher sei n. ist ein konstante r
Querschnittsverlauf günstiger.
L
IAnsaug·
Bereich
Ein lass ·
trrcnter-
t(
fiir FlansCh
-
kanal
~r.1
r
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Engstelle
1
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Vert eiler
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-
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"s
I 0,:
'"
0.7'L
Bil d L· 93 Ansaugtrakt von Soortmotcren schematisch.
Der Sa ugtrakt besteht aus Verte ilvo lumen oder Altbox. Ansaug trichter, Saugrohr und Einlasskanal im Zy·
linderkopf. De r QuerschnittA nimmt zunächst b is zu einer Engstelle ab und vergrößert sich ab da wieder
etwas bis zur Mündu ng im Brennraum.
Saug ro h r mit Ai rre st rt cror. Ein Luftmcngcnbcgrcnzcr ist eine vom Regle ment vor-
gesc hriebe ne Drossel im Saugtrakt. die daz u führt. dass nur eine besti mmte Luftmasse
angcsaugt werden ka nn u nd da m it ist auc h d ie Maxi malleist ung eines Verbre n nungs motors
begr e n zt . Bei gege be nen Randbedingungen wie Umgeb ungsd r uck u nd Dichte de r Urngc-
bungsluft ist der max imal mögliche Luftmassenstrom durch die Fläche des engste n Q uer.
sehnins AR s best imm t, Bild l... -94 . Tritt Schallgeschwind igkeit im Drosselquersch e ut auf
(kritisches Dr uckvcrhähn is), ist der maximale Du rchs a tz erreicht:
1II1h.max maximaler. theoretischer Luftm assen st rom [kg/s]
ARs
Rcsrrikto rqucrsc hniu [ m 2]
Basierend auf G!. (L.I) mit GI. (L.3) bzw. (L.4) kann die max imale Motorleist ung uuch
angeschrieben werden als:
p.
.
H"
,
-n'm ,
'
e.t
.max -
"c
1.max A'L .
mm
a lso : Pc.l h.max - til1h,max
4 Baugrupp en
L
ub erkrltlsch unterkrltlsch
P.
:::~::::rI.~:::::I~-.:..._.~.,
7~;~~:~:~,-~t~~-::::1
o0,20,40,60,81
Dr uckverhältnis P.' r~ r-J
P.
240 f---'-,,;.+ _:-
-
+....._- :
..1 1;200
160
120
80
40
o +-.....;-...;.......lLj~...;....-J-..•
E
o
c
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L~
o.
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~.
E
.~
N~
·,
~~
Bil d L- 9 4 Theoretischer Luf tmassenst rom durch eine D rossets tene. nach [Ll1].
Wird das Druc kverhä ltn is abgesenkt, steig t erwartungsgemäß der Luftmassenst rom . A llerdings nur bis
zum kriti sch e n Verhältnis. Ab d iesem Punk t steigert eine we itere Druckabsenkunq den Ma ssenst rom
n icht me hr.
PRS,m m itt lerer Druck in der Drosselstelle
Po Umgeb ungsdruck
Randbedingu ngen: Po - 1.013 ba r. To - 293.15 K. R L
-
287.04 J/{kgK).
Aus GI. (L.I ) folgt da mi t auch die kritische Dreh z ahl. bei der diese Maximallcistu ng auf-
tritt . d. h . die Zylinderfüllung entspri cht genau dem ma ximale n Lunmasscnst rom:
fIllh.ma~
n ~U' rit
Vh
PI.
Motordrehz ah l. bei der d ie Maximalleistu ng
mit Rcstr iktor erreicht wi rd [min -lI
Hubvolumen eines Zylinders [11
Dichte de r Luft [kg/rn-']
Oberhalb dies er kritischen Dreh zahl ka nn die Motorleistu ng nicht weiter gesteigert werd en,
weil der Luftdu rchsatz nicht we iter gesteigert werden kan n. ß ild (, -95 gibt diese Bczic-
hung cn für den ideal en und für ein en reale n Motor grafisch wieder.
Bild L-9S
Drehmomen t und Leist unq eines id eale n und
eines realen Motors mit Lultbegrenzer, nach
[Lll].
Der idea le Motor we ist kons tan ten tteterqrao
und effektiven W irku ngsgrad auf. Die Leis tung
des idealen Motors Pe,tn ist direkt proportional
der angesaug ten Luftmasse und dami t der Dreh -
zahl . Ab der kr itischen Drehzahl nM,k';t nimmt de r
Liefergrad ;'1 indire kt proportional mi t der Dreh-
zah l ab.
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c
•E
0
E
s:
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0
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0
c
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•
'4: 0
~0
nM,~ru
Mo tordrehzahl nM
1593
L Rennm otoren
Ist reglementbedin gt ein Luftmcngcnbcgrc nzcr vorgeschrieben. w ird der Einlauf als Luval-
Düse ausgeführt mit dem Rcstr iktor als kleinstem Durchmesser, Bild L-96 . Die Airbox
ist in Fahrt richtung ausger ichtet und enthält beim Lufte intr itt den Rcstriktor. Ocr Einlau f
ist trichtcrförmi g gestaltet und gut verrundet. Der eigentliche Rcstrlktor muss bei diesem
Fahrzeug bei eine m Durchmesser von 24 mrn 3 mrn lang sein. Oaran schließt ein Diffusor
an, der ei nen kleinen Öffnungswinkel aufweist, dam it die Strömung nicht ablöst.
a
-------------------
-
sa
Etnhu f
b ReUrHtor
"
"
Bild L· 9 6 Ausführung einer Airbo x m it Bestriktcr (Opal Formel 3 21), nach IUll .
a Baute il
b Gestaltung der Restriktorumgebung
Bil d L-9 7 Airbo x mit Aestrik tor an einem Formelwagen (Oaüara STV2000).
Durch den Aes triktor we rden alle vier Zylinder des Reihenmo to rs mit Luft versorgt. Der Aestri ktor besteht
a us Leichtmetall und ist in die fa ser verstärk te «crststotr-Anoox einlaminiert
59 41
L,
-e
0
L,
0
0
~N lj
0
v~
a1
4
12
\(
b
4 Baugruppen
Bild l -98
Schema der dynamischen
Autladevertah ren .
a Schwingroh rauf ladung
1 Luftzuführroh r
2 Verteilvolumen
3 Schwingrohr
4 Motor
b Pesonanzrchra uüaounq
1 A usgleichsvolumen
2 Resonanzrohr
3 geeonenzcenäner
L
A u fta d u ng superchorging. Z ur Ste iger u ng des Luftaufwa nds m it reinen gasdy na mis che n
Effekte n (dynamische Auflad ung )we rde n grunds ätzlich zwei Arten eingesetzt . die Schwing-
rohr- u nd die Rcsonanz rohrau fladu ng, Bil d L- 9M.
Schwtngrohra urtadung rIImpipe superchurging. Ocr Schwingrohrcffekt beruht auf der
durch den abwä rts gehenden Kolbe n a usgelösten Unterdruck we lle, d ie im A ns augrohr ent-
gegen der Strömungs richtu ng zu m Sammclbchältcr läuft und dort am offe nen Rührende
reflekt iert w ird. Die au f d iese Weise entstehende Überd ruck welle crhöht die Zylinderfü l-
lung du rch An hcbu ng des Druckgefälles über de m Einlassventil. Kurz vor dem Schließe n
der Einlassven tile bei aufwärts gehendem Kolben ist dieser Effekt besonde rs wirku ngsvoll.
Hier wird bei vorl iegender Dr uckwelle das Ausschieben von Frischladung vom Brennrau m
in d as Sa ugrohr verhinde rt.
Bild L-99
Erk lärung des Schwingsaugrohrs.
Energiebilanz: Die Saug arbeit des Kolbens wird in kinetische
Energie der Gassä ule vo r dem Einlassventil und d iese in
Verdich tungsa rbe it de r Frischlad ung om q ew an o ert. Die Län -
ge L der Gassä ule reicht vom Ventil b is zum Ansaugtrichler
(Ouersctmittssprunpj.
Die optimale Schwi ngroh rlänge folgt daher aus der Einlassda uer. innerhalb de r die Druck-
welle das Rohr zwei mal (hin und zurück) durchlaufe n m uss;
LI Schwingro hrlänge für Drehzahl n [m]
c1JL Verhältnis der Einlassdauer (Eö bis Es) zu einer Kurbel-
wellen dre hung [-] . Bei Se rie n mo toren ist tPL ca. 1/3, bei
Rennmotoren um I.
es
Sc hallgesc hwi ndigkeit [m /s]
nM Motordrehzahl. bei de r Aufladeeffek t au ftritt [m in - I]
Reson anzaufl adung rcsonan ce inducsion , Bei d iese m Pri n zip wird die Eigen freq ue nz
ei nes Behälter-Rohr-Systems auf die gewü nschte Motord reh zah l abgestim mt. Besonders
wirkungsvo ll ka nn dieses Verfahren mit meh reren Zylindern. d ie gleiche Zünd abstä nde
haben, ei ngesetzt werden. Dabei werden Gruppe n von Zylinde rn übe r k urze Schwi egroh re
1595
L Rennmotoren
mit einem Resonanzbehälter verbunden. Dieser Behält er w irkt z usa mmen mit eine m Rcso-
nanz rohr als Helm holtz-Resonat or gege nüber der Atm osphäre bzw. einem Ausglci chsvolu-
mcn . Die Resonanzdrehzahl f ür ei nen Zylinder ist [L26 ]:
AI
LI.(V"+O.5 ·Vh)
nM Drehzahl, bei der Resonan z im Saugsystem
auft r itt [rnirr']
A l Qu ers c hnittsfluche Saugrohr [01 2]
LI Resonanzrohrlänge [rn]
Vc Kompressionsvolumen [013]
Vh Hubvolumen [01.11
Verdi ch t er compressor. Ne be n der dy namische n Aufladu ng g ibt es noch d ie Mö gli c hkeit
einen Verdichter im Saugtrakt einzubauen. der den Luftaufwand wesentl ich steigert. Bei der
Betrachtung prinzipieller Möglichkeiten einer Leistungssteigerung liefert GI. (LJ) mit (LA)
die Erkennt nis. dass eine Steigerung der Luftdichte im sclbcn Ausmaß die Leist ung eines
Motors erhöht. Die Dichte der Luft wird von einem Lader in folgendem Ausmaß erhöht:
p z Dichte der Luft nach dem Verdichter [kg/tn"]
Pl Ladedruck [Pa ]
RL spe z ifische Gaskonstante der Luft. RL
= 2M7J/(kgKl
Tl Tempe rat ur nach dem Verdichter [K]
Man kann sich auch umgekehrt vorstellen. dass durch den Verdichter so viel Luft in den
Zylinder gelangt. wie es ein Saug motor nur mit x-fachem Hubraum schaffen würde. Der
Faktor .r folgt dabei aus dem einfachen (tatsächlich sind die Verhältnisse wegen Rückküh-
lung ctc. ko mpl izierter) Vergleich der Ener gi e me ngen :
PI'f.J = const,= P2.V2
pz VI
-
-=-
=x
Pt V,
VI
V,
PI
X
Hubrau m des Sa ugmot ors
Hubrau m des aufgelade nen Mot o rs
Umgebungsdruck
Verhältnis der Hubräume
Ba ut der Verd ichter beispielsweise ein Ladedruck verhält n is rs!». von 2 a u f. so e nt spr ic ht
da s grob einer Hubra um vergrößerung des Sau g mot o rs u m d as Do ppelte.
Aufgeladene Motoren bieten de n Vorteil. das s bei gleicher Leistung kleinere Hubräume
und damit Motoren mit kleineren Abmessungen sowie geringerer Masse eingesetzt werd en
können (Downsizing ). Das schlägt sich in einem günstigeren Pack egi ng im Fahrzeug und
geringerer Motorreibung niede r. Im Vergleich zum leistungsgleichen Sauger kann de r auf-
gel aden e Motor alternativ zur Hubra umänderung auch mit geringerer Drehzahl bet rieben
.... 'erden . was ebenfalls gü nstig für den mechanischen Wirkungsgrad ist (vgl. Bild L-16). Im
Allgemeinen wird als Komp romiss eine Kombination aus beid en Alternativen gebildet.
Je nachdem wie der Verdi chter angetrieben wird. unterscheid et man mecha nische und
Abgasl urboaufladu ng.
4 Baugruppen
vtec hantsche Au"adun~ mechanicol boost. Der Lude r wird über Zahnräder oder Riemen-
triebe direkt von de r Kurbelwel le ang etrieben. Der Wirk ungsgr ad des Motors verschlechtert
sich zwar dadurch, sein Mitteldru ck steigt aber. Im Vergleich zu einem leistungsgleichen
Saugmoto r weist der aufgelade ne geringere mechan ische und therm ische Verluste auf und
bilanzie rt so mit unter dem Strich mit einem besser en Wirk ungsgrad. Als Lader werden
meist Roots-Gcbläsc. Schra ubenverdichter ode r Spirallade r verbaut. Seltener werde n Radi-
alverdichter mechanisch von de r Kurbelwelle an getrieben. Bei ger ingen Zylinderzahlen
(~3) kann die Standfcstigkcit des mechanischen Antriebs wegen de r Drchunglcichförmlg-
kcit des Motors zu m Proble m werde n. Ab hilfe schaffte ei n elastisches Zwisc henglied zur
Sc hw ingu ngse ntkopp lu ng.
Vorteile:
Relativ e infache Ladege räte au f der kalten Motorseite.
•
verzöger u ngsfre ies A nsp rechen a uflastä nder unge n.
Nachteile :
erhöhte r Kr a ftsto ffve rbra uch.
•
Lader nicht beliebig am Motor platz ierbar wege n Lade rantrieb.
Abgast urboa uflad u ng exha ust-gas turboctiarging. Bei der Abgasturboa ufladu ng wird ei n
Radial verdichter von einer Turbi ne im Abgasstrang anget rieben. Motor und Verdichter sind
also nur thermodyna misch gekoppelt. Die Tu rbine nutzt einen Teil de r Abgase nergie. der
sonst an die Umgebung abgeführt wird und de n der Hubkolben motor wegen des Kurbel-
triebs nicht nutzen kan n (unvollstä ndige Dehnung).
Vortei le:
erhebliche Ste ige r u ng d e r Literleis t ung.
•
fülligerer Drehm omentverla uf
•
geringere r Kraftstoffverbrauch im Vergleich z u leistungsgleiche m Sauger.
Nachte ile:
Lader wird im heißen Abgasbereich eingeb aut,
geringes Grunddreh mome nt bei nied rigen Motord rehzahlen .
verzögertes Lasta ufnah meverhalten (Turbcloch).
Druckwetlcnauüadu ng pressure-wa ve superchurging. Ein von de r Kur belwel le a ngetr ie-
bener Zel1 e nrotor (Co mprex-Lad e r) e rmögl icht einen di rekten Energiea ustau sch zwische n
Abgas und Ansaug luft. Dieses Syste m führt zu hohen Dru cksteigeru ngen bei ge ringen
Motord rehzahlen und reagiert schnell bei Laständerungen. A llerdings m uss der Rotor wie
ein mechanischer Lader am Motor angeordnet werden und es kommt zu erhöhten Abgas- und
Spülluftme ngen .
Ladeluftkühlung cnarge air cooling. Durch den Verdichtungsvorgang wird die Tempera-
tur der Luft erhöht und damit ein Teil der Dichtesteigerung wieder zunichte gemacht. Für
eine weitere Leistu ngssteiger ung muss also di e Verbren nungs luft wiede r rückgekühlt wer-
den. Dies gesch ieht in Luft-Luft- oder auch in Wasser-Luft-Wärmetauschern . d ie zwischen
Verdichter und Verteilvolumen angeo rd net sind .
L
1597
L Rennmotoren
Dr osselo rga n Ihmnie devic e. Bei einem Ottomotor mit äu ße rer Gemischbild ung [S aug-
rohrci nspritz ung. Vergaser) w ird z ur Lastste ue r ung die Gemischzu fuhr z um Moto r beein-
flusst (Quantitätsstcucrung, im Gegensatz z ur Q ualitätssteuerung bei Diesel motore n). Dabei
wi rd de r Einlassvorgang bei Teillas t gedrosselt. bei Voillast n icht. Von den denk bare n Mög-
lichkeiten die Ge misch menge zu m Bren nrau m z u beeinflussen haben sich letztlich wenige
durchgesetzt: Drosselklappen. Flachschiebe r und Drehschieber.
Bei Serie nmo tore n sind die Dross elorga ne im Gemischbild ne r (Vergase r oder Ze ntral-
einspritzung) oder im A nsaugrohr bzw. Ansaugtraki angeord net. Je näher die Drosselk lap-
pe am Motor angeordnet ist. umso spontaner spric ht der Motor au f Gaswec hsel an. Daher
wird bei Rennmotoren für jeden Zylinder ei n Drosselorga n verwendet. Auf diese Weise
lassen sich die Drosselo rga ne dire kt am Motorei nlass anordne n.
Bei a ufgeladene n Motore n ka nn das Dross elo rga n vor oder hinter de m Verdichte r a nge-
or dne t werde n. Am gebrä uchlichsten ist heut e die A nordnu ng des Drosselorga ns zwischen
Verdichter und Motor .
Um die Fahrb arkcit zu verbessern. werden bei de n extrem sta rken V-Motore n de r For-
mel I die Drosselklappen beider Zylinde rbänke nicht gleichzeitig sondern - was durch
E-Gasstcl ler möglich ist - mit bis zu 30 % Unterschied geöffnet. d . h. eine Bank ..hinkt"
der andere n hinte rhe r. Erst ab ca. 70 % Pedalweg öffnen alle Klappen synchron. Dam it
nicht eine Zylinde rban k überbeansprucht wird, tauschen die Bänke ih re Rolle bei jede m
vollstä ndige n Sch ließen der Drossel klappen [L35).
Dross elklappe throttle valve, Die Drosselklappe ist einfach im Aufb a u, stört abe r auch bei
voller Öffnung den Ge mischd urchfluss und reduzie r t den f reie n Strömu ngsquersc hnitt um
die projizierte Klappe nwelle nf läche. Dieser Ein tluss lässt sich reduzie ren. in de m die Dros-
selk lappen nach außen in die Ansa ugtric hter verlegt werden. Hier ist der A nsaugquerschnit t
bereits so groß . d ass kau m eine Störu ng der A nsaugströ mung mehr auftritt. An erfolgreichen
For mel- I -Mot ore n beispielsweise wird diese A nordnung ve rwe nde t. Falls diese A nordnung
nich t möglich ist. ka nn zu min dest die Welle im Saugro hrbereich abgeflacht werden.
Die g leichzeit ige Anste ueru ng mehrere r Drosselk lappen fallt zwar im Vergleic h z um
Flachschieber aufwä ndiger au s, dennoch stellt sie insges amt die ei nfachste Möglichkei t der
Motorsteue rung mit den ge ringsten Betätigu ngskrä ften dar. Es ka nn ka um zu Verklem-
mungen kommen und eve ntuell a ngcsa ugtcr Schmutz die Klappenfunktion beeint rächti-
ge n. Ein Problem ergibt sich bei Verwendung einer ge me ins amen Drosselkl appenwelle. die
durch me hrere Sa ugrohrarme durchgeführt wird. Durc h die unte rschied lic he Wärmedeh-
nung von Welle und Saugrohr kommen fix auf der Welle sitzende Klappen bei hohen Tem-
peratu ren seitlich an eine r Lagerstelle zu Anlage. Drosselklappen benötigen kei n Gehäuse
wie etw a der Flach- oder Drehschieber. sonde rn sitzen praktisch frei im A nsaugkanul und
der außerhalb ei ngespritzte Kraft stoff kann sich nicht in de n Freirä ume n oder Spalte n des
Gehä uses nie dersc hlagen und so z um Abmage r n des Motors führe n. Das unterst ützt ein
spont anes Ans prcchvcrhaltcn des Motors . Wie überha upt das Ans prcchvc rhaltcn vom Öff-
nungsgcsctz de r Drosselklappe vortei lhaft unter stützt wird. Diese gibt sc hon bei kleinem
Öffnu ngswinkel viel Ansangq uerschnit t frei. Zur bessere n Dosie rung de r Luftm e nge bei
niedr igen Durchsätzen ka nn die Drosselklappe a ueh mit einer Progres sion (Kugelzone) ver-
sehe n werden.
Bei eingesc hränk ten Platz ve rhältnisse n. z . 8. bei klei ne n Zylinde rabstä nde n. stellt eine
ovale AusfLihrung de r Drosselklappen eine Lösung da r,
598 1
4 Baugruppen
L
F lachsc hie ber slide. Flachschieber werden meist bei Benzinein spr itzung eingese tzt. Mit
ei nem Schieber lassen s ich mehrere Saug rohre exak t gleichmäßig steuern . A llerdi ngs mus s
dabei der Zylinde rabsta nd relat iv groß sein. damit der Schieber bei kreisförmigen Durch-
tritte n diese vollstän d ig sch ließen kan n. Bei Volllast w ird der Ge mischdurchfluss n icht
behi nder t. Dami t der Schiebe r auch im Schiebebetrieb des Motors (z. B . beim Anb rcmsc n
einer Kurve). wo große Druckdifferenzen zwische n vor und nach dem Schieber auft reten
und damit eine große resultierende Anpress kraft hervorr ufen. leichtgängig und somit für
den Fahrer zu frieden stelle nd dosierb ar bleibt. wird er walzgelagert . Diese Druckd ifferenz
liegt bei einem Saugmotor bei ca. 0,2 bar (Umgcbungsdruck vor und ca. n,s bar nach dem
Schiebe r). Dadurch wirkt eine Normalkra ft von ca. WON pro Zylinder bei einem 3-1-Motor
[L02]. Einfache, gleitende Schieber können dabei durch diese unterdr uckbedingt e Reibung
beim Fah rer das Gefühl hervorr ufen. dass sie stecken geblieben sind. Dieses Phänomen ist
bei tu rboa ufgeladenen Motoren noch deutliche r ausgeprägt. we nn de r Schieber nach dem
Verdich ter angeo rd net ist. Der Verd ichter förde rt zu Beginn des Schiebebet riebs durch seine
Trägheit noch Luft. wodurch die Druckdi fferenz zum Saugbereich nach dem Schieber noch
größer wird. Beim Einsatz eines Abgasturbolader s werden nicht zuletzt aus dem Gr und
Drosselklappen bevorzugt.
Ist der Schieber im Fahrze ug längs angeordnet, wird die Betätigung so eingerichtet. dass
er sich beim Öffnen nach hinten bewegt [L27].
Flachschieber be nötigen ei n eige nes Gehäuse. Des halb ist ih r Syste mgewicht höher als
jenes vergleichbare r Drosselklappen .
Bild L-100
Flachschieber eines
Mehrzylinder-Motors.
1 Ansaug trichte r intake trumpet
2 Gehäusedeckel cover
3 Flachsch iebe r silde
4 Rollenlager (Nadelrollen-F lachkä figl
roller bearing
5 lagergehäuse
bearing houslng
6 Saugstut zen bzw . Zylinde rkopf
intaka pipe resp. cy/inder reea
Der Schiebe r ist aus Stahl und wälz-
gelagert. Die Rollen brauchen eine
Lauffläche mit ausreichende r Härte ,
desha lb ist auch de r Gehäuseuntertei l
(5) aus Stahl, Das Einspritzventi l ist vor
dem Schieber im Ansaug trichter an-
geordnet. Dies bringt Leistungsvorteile
du rch mehr Zeit für d ie Gerniachba-
dung. N achteilig ist. dass Kraft stoff auf
den geschlossenen Schieber spritzen
kann und das Gehäuse daher rundum
dicht sein muss.
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1599
L Rennm otoren
Dreh seht eber rotary valve. Drehschieber sind ein inte ressanter Kompromiss zw ischen
Flachschieber und Drosselklappen. Drehschieber haben wie Flachschieber den Vorteil. dass
sie an der Volllast den Ansaugqucrschnitt vollständig freigeben. Sie sind ähnlich wie Drossel-
klappen d rehbar gelagert und leicht zu betätigen. Sie bauen leichter und kleiner als der Flach-
schiobe r. aber schwerer a ls die Drosselkl appe. Dar über hinaus e rmögliche n Drehschieb e r
in z wcifl urigc n Kanä len unt ersch iedl iche Öffnungsque rschn itte im Teilla stbereich. wodurch
Z.B. eine leichte Drallströmung im Brennraum durch die unterschiedliche Bcau fschlagung
der beide n Kanalzweige erze ugt werden kann.
(
Bild L-101
Saugstutzen m it Drehsctueber;
Die obe re Darstellung zeig t die
vollständ ige Anordnung (mit teil-
weise entferntem Saugst utzen)
und den Drehsch ieber allein.
Der Drehsch ieber (1) wird seitlich
in die A ufnahmebohrung des
Saugstutzens (2) eingeschoben.
Im Schnill sind d rei wichtige
Stellungen des Drosselorgans
dargeste llt.
a Leerlaut idle
b Teillast part load
c Volllast toutoea
,I
,I
a
b
c
Cemlsc hbüd ung mixturef ormatian, Die Ge mischbildu ng be i Renn-Ott omotore n e rfolgt
vornehmlich durch Saugrohrei nspritzung. Es gibt inzwischen allerdings auch schon erfolg-
reiche Direktei nspritzer (Audi 3,6-1VHFSI BiTurbo in Lc Ma ns). Dieselmotoren fahr en auf
der Straße wie auf der Rennstr ecke mitluftverteilender Direkteinspritzu ng.
Bei Saugrohreinspritzung ist die Lage der Inj ektoren für das motorische Verhalten ent-
scheidend. Die Einspritz ventile sitzen so weit wie möglich vom Bren nraum entfernt. Damit
sind hohe Drehzahlen möglich, weil meh r Zeit fllr die Ge mischbild ung bleibt. Darüber
hinaus kan n die Frischluft auf dem bis zu den Ventilen verbleibende n Weg durch den ver-
damp fenden Kraftstoff gut abgek ühlt werden . Denn kühle re Luft bedeutet [L02]:
meh r Leistu ng, weil mit der kühleren Luft mehr Luftmasse und damit mehr Sauerstoffin
den Bren nraum gelangt,
s päterer Kloplbeginn. weil die kühlere Frischladung weniger leicht zur Selbste ntzün-
dung neigt,
4 Baugruppen
eine ger ingere thermische Beansp ruchung,
weniger Verbrauch. weil mit meh r Vorzündung gefahre n werden kann.
Innerhalb geschlosse ner Airboxen werden Einsprit z vent ile sog ar außerhalb des An saug-
trichters zentral an de r Mündung angeordnet (z. B. Bild L-91 und Bild L-13I).
Bei offenen Ansau gt richtern können die Einspritzdüsen allerdings nicht beliebig weiter
nach vorn verlegt werden, da sonst Kraftstoff nach außen gelangen würde. Eine an den
geschlossenen Ventilen reflektierte Stoßwelle läuft gege n die A nsa ugricht ung nach auße n
u nd rei ßt dabei Kraft stofftröpfchen m it. Werden d iese Tröp fche n beim n äc hsten Öffnen
der Einlassventile nicht wieder engesaugt. sind sie für die Energieumsetz ung verloren und
er höhe n somit de n Kra ftstoff verb rauch.
Auswa hl de r v ergasergröüe choice ofcurburettor dimension, Trotz aller Möglichkei ten
der Beein fluss ung des Motor verhalte ns. die ein e elektron ische Kra ftstoffeinsp ritzung bie-
tet, weist der Vergaser doch zumindest einen Vorteil auf. Er ist mit einfacheren Mitteln zu
warten und zu reparie ren, Dieser Vorzug führt dazu, dass er sich in einigen Rennklassen
-
bevor zugt Gcländcrnotorrädcr -. a uch heute noch erfolgreich behaupten kan n,
Die Ausw ahl de r Verga sernennweite fiir einen Ve rga ser erfolgt na ch d em Luftm as se n-
durchsätz . den der Motor bzw, der versorgte Zylinder verarbeiten kann (LI5]:
"C a.n Vergaserne n ndu rchmes ser [Ol m], dCa.n darf nich t ve r-
wechselt werden mit dem Vcnturidurchrnesscr
dmin Vcnturidu rch mcsscr, d min "" o.x dCa,n
Vh
Hubvol umen des Einzelzylinders [I]
"ma~ Höch stdrehzah l [rnin" ]. nma~ "" LI " nenn
"n enn: Drehzahl bei Maximalleistu ng
kCa
Ko rre kturfaktor l-l
für I, 2- und a -Zyl-Motor :
O,S2 (Fa. Solcx). O,S bis 0,9 (Fa . Weber)
ö-Zyl-M o ror : 1,0
x-Zyl-Motor : 1.1 5
Anm.: In der Praxis komm en ab Vicrzyl-Motorcn
Do ppel verga ser zum Eins atz,
Die mittlere Gasgeschwindigkeit in der vergaserventun \'Ga soll ca. 100 m/s (Grenzen 90
bis 110 m/s) bei Nenndrehzahl betragen, Die Kontrolle des Quersch nitts kann so aus der
Kontinui tätsgleichung gewo nnen werden:
L
Al'i 'I'm
v(Ja =
AVcmuri
I·G a
Gasgeschwind igkeit [m/s]
AVcnlu ri Lichter Q uerschni tt der Venturi [01012]
Api
Kolbenfläche [m m-l]
I'rn
mittlere Kolb engeschw indigkeit [m/s]. s. GI. (L.2)
L Rennm otoren
Die Berech nung der Ga sgeschwindigk eit kann auch basierend auf der Einla ssst euerzeit (z. B.
für Einsprjtzmotor) ermittelt werden [L15]:
Hubvolumen Einzelzylind er [cm']
(klei nster) Ansangquerschnitt [cm -]
Moto rdr ehzahl [rmr r']
Faktor für Taktzahl [- ]. i 0:: 0,5 bei Viertakt-
verfah re n
ß Eö' ß Es Kurbelwinkel bei Einlassöffnung bzw. bei
Einlassschlus s. ° K W
Werkstoff lind Hersrcüung. Sauganlagen werden aus Aluminium bzw. Magnesiumlegie-
rungen gegossen. als Einzelanfertig ung auch aus Halb ze ug gesc hwe ißt. Besonders leichte
Anlagen können aus CFK laminiert werden.
4.6 Abgasanlage Exhaust system
Die Abgasanlage führt nicht nur das verbra nnte Luft-KraftstofTgcmisch an einer geeig nete n
Stelle an die Umgebung ab. sondern nimmtje nach Brennverfahren eine (bzw. zwei) Lamb-
dasonde, einen Katalysator. einen Rußpartikelfilter und einen (ode r meh rere)Schalldämpfer
au f.
Ahgasanlagen für id eal en Druckverl auf Der Auspuff kan n jedoch weit mehr als bloß
Abgas tra nspo rtieren. Ein Verbrennungs motor arbeitet ja gleichsam als Luftpump e und wie
auf der Saugseite die Gasdynamik die Zylinde rfüllung beeinflusst. so macht sie das auch
auf der Auslassseite. Die Abgasa nlage ist insofern mitverantwortlich für d as so genannte
Spülgefälle von der Ein- zu r Auslassse ite. Wirkt der Ausp uff als Strörnungsbrcmsc, wird
der Zylinde r schlecht entleert und der im Zylinde r verb leibe nde Restgasanteil behi ndert
die darauf folgende Füllung mit Frischgas. Ist umgekehrt das Spülgefälle zu stark, wird
auch Frischgas vor Auslassschluss in de n Abgastrakt strö me n. Diese Energiemenge ist für
die Verbrennung verloren und erhöht weiters den Kraftstoffverbrauch und den Ausstoß a n
Emissione n.
Der ideale Auspuff sorg t bei Auslassö ffnen für ei nen Unterd ruck nach dem Auslassventil
und verhinde rt bei Auslasssc hluss durch Überd ruck Frischgasverlus t bz w. verdichtet die
Frischl adu ng soga r et was.
Die Wirkung gasdynamische Effekte hängt u. a. von derTemperatur und de r Motordreh-
za hl ab. Die Schwierigkeit bei der Ausleg ung einer Abgasanlage beste ht darin, ihre vorteil-
hafte Wirk ung auf einen großen Drehzah lbereich zu erstrecken. Die Abgasa nlage n mode r-
ner Hochleistungszweitakter - mit oder ohne Schalldämpfer - bestehen aus fünf Bereichen:
Auspuffrohr. Diffusor. Aus puffk ammer. Gegen konus und Endro hr. Die Wirku ng stel lt
Rild [..102 anschaulich für eine Drehzahl dar. Beim Öffnen des Auslassschlitzes läuft eine
Druckwell e mit Schallgeschwindigkeit in de n Ausp uff. Die Schallgesch windigkeit bet rägt
bei diesen Bedi ngungen etwa 450 bis 5S0 m/s (sie steigt also mit der Temperat ur und kommt
som it der Dreh zahlcha rakteristik entgegen ). De r Diffusor verringe rt dabei den Strömungs-
4 Baugruppen
L
Aufbau des Auspuffs:
1 Auspuffroh r exhaust pi pe
2 Diffusor diffuser
3 Auspuff kammer exhaust cremoer
4 Gegen konus ccccene taper
5 Endrohr tai/pipe
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60'
0'
30'
90'
90'
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A
Bild L· 102 Druckver lauf im A uspuff eines 2-Takters (gerechnet), na ch [L15].
Gerechnete r Druckve rlauf in eine r A uspuf fb irne für die Drehzahl 10000 mm -' und eine (temperatcrbe -
dingte) Schallgeschwindigkeit von 500 oveec.
Bei 30" Ku rb elwinkel nach Auslassöffnung ist die A uspuff druck welle ce. 5 cm weit in den Diffusor einge-
dr ungen, wobei eine reflektier te, zurückla ufende Unterdruckwelle den Gesamtdruc k herabset zt. Nach 60"
erreicht d ie Druckwelle das Diffusorende, das Druckniveau ist bet rächtlich abgefallen. Bei 90" befindet
sich di e Druckwelle mitten im Gegenkonus, wo eine Überdruckwelle reflek tiert w ird, die später im (umg e-
kehrt d urchström ten) Diffusor ansenwen und gerade vor Au slas sschluss eine Rückström ung in den Zylin-
der bewir kt. Inzwi schen hat d ie ursprüng liche Druckwelle das Endrohr erreicht (bei ca. 110· j und wied er
verlassen (bei ca. 160"); hier entstehen weitere Petlektionen . am Endrohranfang eine Druc ksteigerung,
beim Aust ritt der Druck welle ins Freie jedoch eine zurüc klaufende sta rke Unterdruckwelle. Damit diese
den gesamten 1,3 m langen , Rück weg " absolviert und noch rec htzeit ig wirkt , müsste die Motordr ehzahl
unter 5700/min sinken.
widerstand im Vergleich zu einem zylindrischen Rohr und durch seine Qucrschnittscrwci-
tcru ng wirkt er w ie ein Rührende (Reflexion am freien Ende): Eine Druckwelle wi rd als
Unterdru ckwelle reflektiert und läuft zum Zylinder z ur ück . Dasselbe passiert am tat s äch -
lichen Auspu ffende zu eine m späte ren Zeitp unk t, wenn die weiterlaufende Druckwelle da s
Rohr ende er reicht und als Unterdruckwe lle reflektiert wird. 1m Diffusor nim mt d ie Intensität
der Druckw elle mit wachsendem Quersc hnitt ab. Der Gegenkonus w irkt wie ein Hindern is
(Reflexion am festen Ende) und ein e Druckwelle wird als solche reflektiert. Beim Zu rück-
laufen zum Zylinder wird sie im Diffusor, derjetzt durch die umgekehrte Richtung wie eine
1603
L Rennmotoren
Düse wirkt. mit abnehmenden Querschni tt verstärkt. Wenn die Längen passe n, erreicht die
Druckwelle den Auslassschlitz , wenn der Kolben diesen zum Schließen wieder überfah rt.
Wie bei de n Sa ugro hren veru rsacht ein längeres Ausp uffrohr wirksame Reso na nzen bei
nied rige ren Drehza hle n, ei n kürzeres entsp reche nd bei höheren. Falls das Rohr bereits ei ne n
leichte n Kon us au fweist, ä h nelt die W irk ung eine r Verkü rz ung. Zu hochtourigen Rennzwei-
t ak t ern passe n kurze Rohre - nicht länger als der 5- bis ri-fachc An fa ngsdurchmesser. de r
seinerseits einen Q uersch nitt von 130 bis 175 % d es Aus lassschl itzes liefe r n soll [Ll 5].
Mit dem Diffusor lässt sich ebenfa lls das Auftreten des maximalen Mittcldr ucks zu
höheren oder nied rigeren Drehzah len verlage rn. Seine Länge soll etwa 30 bis 40 % der
gesamten A nlage betragen. Der Querschnitt seiner Mü ndung und dami t jener der (meistens
anschließenden) zylindrischen Kammer soll nach Erfah rungswe rten die 3.4- bis 4.5 -faehe
Anfangsfläche des Auspuffroh rs a ufweisen.
Durch die Länge der zylindrische n Kammer folgt ein Volumen. das ebenfalb die Rcso-
nanzd rchza hl beei nflusst. Im anschließenden Gegen konus wird der Q uersc hnitt auf die
Weite des Endrohrs reduziert. Die Länge des Gegenkonus soll 25 bis40 % der Diffusorlän-
ge betragen . Der Endro hrq uerschni tt soll 21 bis 3N % der A nfangsfl äche des Auspuffrohrs
bet rag e n [L15].
Es gilt:
glatte Rohre führen zu einem (geringe n) Rückstau . und zu keiner Saugwi rk ung.
Diff usoren e rzeugen keinen Rücks tau . aber sta rke Saugwirk u ng.
Prallwände oder Gege nkone n führen nur zu starke m Rücksta u,
sämtliche Q ucrschniusvc r ändcr ungcn be w irke n eine gleic hsin nige. aber abgestu fte Wir-
kung.
Ein langes. enges End rohr er mögl icht generell höhere Drehza hle n und dam it höhere Lei-
stung, ver ursacht abe r u. U. t hermische Proble me wie etwa übe rhitzt e Kolbe nböde n.
Die Länge de r ges amten Auspuffanlage bis z ur Mitte des Gege nkonus (0.75 m in Bild L-l 02)
lässt sich fü r Zweitak ter auch nach folgender Beziehung ermitteln (L44]:
' res
ßAii ·ßAs
Län ge de r Abgasa nlage bis Mitte Gegenko nus [m]
Ku rbelwinkel bei Auslassve nt ilöffnu ng bzw . bei
Aus lasssch luss [<'KW]
Sc hallgeschwi ndigke it [m/s]
Motordrehzahl. bei der maximaler Mitteld ruck
auft r itt [rnin"]
Uild L-I03 zeigt die Auswirku ngen unterschiedlich er Diffusorgcstaltu ngcn auf den effek-
tiven Mitteldruck. Es liegt nahe die erfo rderlichen Kompromisse bei der Gestaltung zu min-
dest teilweise zu umgehen. inde m die Länge des Diffusors (analog zu m Saugrohr) bzw.
wenigstens die Lage de r Prall wan d d rehzahl abhä ngig versc hoben wird. Tatsächlich wur de n
u nter sch iedl iche Systeme, die ein solches Prinzip nu tze n. bis zur Serienreife gebr acht.
A n Mehrz ylinder-Saug motoren kommt zu d iese n gasdy na misc hen Effekte n des Einzc1-
rohrcs noch die Wirk u ng von Zusa m men führu ngen mit de n Abgasrohre n vo n Nachb arzy-
linde rn hinz u. Mit ein er gesc hickte n Anordnung der Zus am menführung entsprec hend der
Zylinderanord n ung u nd vor a llem de r Zündfolge ka n n der Mittc1druckve rlauf de s Moto rs
vortei lhaft ve rä ndert werde n.
4 Baugruppen
L
Bild L-103
Einfluss der Au spuffgestaltung auf den Mittel-
druc k, n ach [115].
Für 50-cmJ Zweitaktmotoren wu rden drei ver-
schiedene Ab ga sanlag en gemessen (Flehtet &
Sachs). Der t nttusor w urde variiert. Die zugehö-
rigen Ausputt rohre komp ensieren das Volume n
vor der Prallwand. Der kürzeste Auspuff führt
zu m grö ßten maximalen Mrtteloruck, allerdin g s
auch be i hoher Drehzahl , Die füllig ste Kur ve bie-
tet die AuSführung B,
8000
4000 5000 6000 7000
Drehzahl 11" [lllin" J
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Bild L-104
Einfluss d er Reihenfolge der
(Primä r-}Zusammenfüh rung auf
den Mitteld ruck eines 4-Zylin-
oe r-votors (schemat isch),
Am besten ist die Ausführung
a (Zusammenf üh rung 1-4 un d
2-3), die bei der üblichen Zünd-
fo lge 1-4-3-2 zu einer Verbesse-
rung d es Spülge fälles führ t. Die
Druckwelle des 1800 vorhe r zün-
denden Zylinder s wird als Unt er-
d ruckweIle refl ek tiert.
Dreh zahl ny
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Die Auswirk ungen von mögl ichen Abgasrohrgesta ltunge n eines Vierzylinder moto rs ze igt
Bild L-104. Der früher übliche Fächerkrümmer Id] schneidet dabe i im Vergleich am
sch lechtesten ab. Am besten ist eine Zusammenführung der Zylinde r I u nd 4 sow ie der
Zylinde r 2 und 3 (a). Bei der üblichen Zündfolge eines Vierzylinder s mit einer ebe nen Kur-
belwelle (vgl. Bild L-58). bewirkt die als Unterdruck welle reflektie rte Stoßwe lle des vorher
z ündende n Zylinde rs eine Verbesse rung de s Ga swec hsels .
Ist der Zü ndabstand gleichmä ßig. so we rde n bei Acht- und Ze hnzylinder motoren die
Zylinde r einer Ba nk mit Rohren gleicher Länge zusa mme ngeftihrt (vgl. Bild L-58). An
Zwölfzylinder motore n werden je d rei Rohre von Zylindern einer Ba nkseite mit gleic he m
Zü ndabstan d z usamme ngefasst. Die übrig bleibenden vier Abgasrohre werden entwede r als
Endrohre bis z ur Mündung geführt oder sie werden auf jeder Motorseite zu j eweils einem
Endro hr zus ammengeführt .
Aber nicht nur die Reihenfolge. sonde rn auch die Art der Zusa mme nftihrung zeigt einen
Einfluss auf den Mitteld ruckverlauf Bild l..- l05 zeigt den Einfluss der Scku nd ärzusam-
menführung. also strömungsabwärts der zweiten Zusa mme nführung. Werden die cm zct-
1605
L Rennmotoren
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Drehzahl n~
Bild L-105
Einf luss de r Gestalt ung der Sekundärzusammen-
füh r u n g auf de n Mitteldruck eines a-Zvünder-Mo-
tors (schematisch).
a Rohre verjüngt
b Roh re mit konstantem Quers chnitt
c Erweiterung
ncn Rohre vor der Zusa mmenführu ng verjüngt (a), steigt die Gasgeschwindigkeit und der
Druck nimm t entspr echend ab. Dies wirkt sich positiv auf Jen Mitteldruckverlauf aus. Bei
der Zusa mmenführu ng einzelner Zylinder (Primärz usummcnführung) ist allerdi ngs eine
Drucksteigerung besser, d. h. in dem Bereich sollen die Rohre vor der Vereinigung weiter
we rden .
Die Rohrführung bei turboaufgeladenen Motoren richtet sich zunächst nach der grund-
sätzlichen Verfahrensweise. Es kann die thermi sche Energie des Abgases genutzt werden, in
dem das Abgas in einem Behälter gesammelt wird und erst von diesem aus der Abgasturbine
z ugeführt wird (Stauauftadung, Bild 1.. - 106a). Für die Abgasturbine ergeben sich so gleich-
mäßigere Verhä ltnisse zw ischen Eingang und Ausgang, dafü r reagiert das System weniger
rasch bei Laständeru ng. Bei den hochdynamischen Fahrzeugantrieben wird die Nutzung der
kinetischen Energie des Abgasstromes bevorzugt. In diesem Fall wirdjede Abgas1c itung auf
möglichst kurzem Weg einzel n bis zur Turbine geführt (b) . An Pk w-Vierz ylinder-Motor en
a
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Bild L-106
Abgasroh rführung bei turboa ufgeladenen
Moto ren (Schema) .
a Stauaufladung ram tu rb oc ha rg ing
b Stoßaufladung pulse turbocharging
C Kompromiss bei Pkw
4 Baugru ppen
L
wird aus Platzg ründen oft ei ne Mischfo rm aus beide n Möglichkeiten ausgeführt (c) . Die
Abgasrohre werden zwar noch vor der Turbine. abe r eben möglichst spät zusa mmengeführt.
So kom mt wenigste ns noch ein Teil des Stoßeffekts für die Turbine hinzu.
Bei der Stoßaufladung werden die Abgas rohre gerne verjüngt ausge führt. Dadur ch wi rd
die Abgasgeschwi nd igkeit vor tei lha ft vo r de r Tu rbine e rhöht.
Endrohr taiipipe. Die Linge des End rohrs richte t sich neben reinen gasdy namischen Kri-
terien auch nach dem vorhanden Platzangebot im Fahrzeug und nach einer eve ntuell vom
Regle ment geforde rten Lage der Mündu ng. Außerde m kommt in den meisten Fällen noch
ein Schalldämpfe r hinzu.
Das Endrohr sollte mindestens so lang sein wie der Abgasweg bis zu ihm. also vom Aus-
lassvent il z ur Sekundärzusa m menführung. Ku rze End rohre f ühr e n zu hohcr Spitze n lei-
stung bei hohen Drehzahlen, längere Rohre heben das Dreh moment im unieren Drehzahl-
boreich. kappe n aber die Endleistung. Das Endrohr kann zylindrisch ode r konisch erweitert
ausgeführt werden. Dazu sind Kombinationen mit untersc hiedlichen Zusammenführu nge n
denkbar. Die Ausw irkunge n aufde n Mitteldruckverlaufeines Vierzylinders gibt Bild L-t07
schem atische wieder. Werden die Abgasroh re mit konstantem Qu erschn itt zusammenge-
füh rt, ist zwischen koni schem u nd zy lindrischem End rohr praktisch kein Unterschied mess-
bar (a. b). Ande rs hingegen verhält es sieh mit einer erweiterten Zusa mmenführung. In de m
Fall bringt die Kombination mit einem zylindrisc hen Endrohr (e) Vorteile im Drehmoment -
ve rlauf.
ln den Reglem ents der-einzelne n Rennklassen sind die Mcssvorschri frcn zu r Ocräuscbc r-
miulung im Allge meine n festgelegt. Das Endro h r de r Abgasa nlage w ird vo rtei lh aft so aus -
gefü hrt. dass es vom Mess mikrofon weg weist.
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Drehzahl n..
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Bil d L- 107 Einfluss des Endrohrs auf den Mittelo r uck eines 4-Zylinder-Moto rs (schematisch)
a Rohre mif konst antem Querschnitt auf kegeligem Endrohr
b Rohre mit konstantem Quersc hnitt auf zylindrisc hem Endrohr
c Erweiterte Zu sam m enführun g auf zylind rischem End rohr
d Erweiter te Zus ammen führung auf kegeligem End rohr
L Rennmotoren
Bild l ·108
Abgasan lage (Ferrari Forme ll) fü r
V10-Zylinder -Mo tor.
Die einzelnen Abg asrohre sind bis zur
ZusammenfOhrung gleich lang . Das
Flanschbi ld am Zylinderkopf spiegelt
die gegabelten Auslasskanä le w id er.
Das End roh r t rägt eine Lambdasonde
u nd mündet ohne Scha lldämpfer in s
Freie .
Bild L·109
M ündu ng des Endrohrs (Ferrari
Formell).
Der ext rem hochdrehende Moto r
brauch t ein k urzes Endroh r. Die übli·
che Integration in den Diffusorbere ich
des Unte rbodens gelang mit den von
Saison zu Saison im mer nied rige r w er-
denden Fahrzeugen und der Zunahme
von te rnp eratu rernptoojch e n CFK im-
mer schlechter. Schl ießlich wurde d ie-
se Lö sung geb oren: Das End roh r weist
nach oben und mündet an der Obe r-
seite der Motorabdecku ng.
ve r btndungcn und H alterungen connecrors und II/OUllts. Das Abgassystem erfährt große
Temperaturdifferenzen und damit große Längenu nterschiede zwischen Betrieb und Still-
stan d. Starre Verschraub ungen kön ne n proble matisch wer de n, weil s ie sich na ch wenigen
Aufh eizzyk len locke rn können . Geradlinige. steife Rohr füh rungen haben in d em Zusam-
menhang auch den Nachteil. dass Rohre oder deren Halter bei Deh nungsbehinderu ng durch
Temperat urbela stung reißen können. Abhilfe schaffen Rohre. die Ausgleichsbögen enthal-
ten und Halter bzw, Verschraubu ngen. die große Dehnungsreserven haben. Bild L-IIO.
Zugfedern kö n ne n auch einen Teil von Ro hren um schlingen u nd so ei ne elastisches Hal-
teband darstellen. Bild 1.-111 .
60s1
4 Baugruppen
L
ca. d
11--1
- ...
I
I
Bild L·110
Verbindungen von Abgasrohren .
a Stec kverbind ung m it Zugfed ern
b Stec kverbindung mit elastischer lasche
Ein zylindrisches Rohr wird in ein aufgeweitetes
Rohr gesteckt Die Dichtung erfolgt über Linienbe-
rührung an der Stirnseite. Die Strömungsricht ung
(im Bild nach links) wird d urch die Trichterform de r
Aufwe itung bestimmt. Die Fügelänge liegt in der
G rößenordnung vom Rohrdurchmesser. Diese ein-
fache Verbindung kommt o hne weitere DiChtung
aus und kann leicht gelöst sowie w ieder gefügt
werden. Mit d ieser Verbindungsart können Rohre
miteinander oder auch ein Scha lldämpfer an das
Vorrohr verbunden w erden.
Bild L- 111 Halterunq eines Endrohrs.
Das Endrohr wird an seine gabelförmige Aufnahme mit einer Zugfeder gedrückt. Die Verbindung ist elas-
tisch, lässt längsschieb en zu und kann rasch geöffnet werden.
1609
L Rennm otoren
Bil d L-112 Abgasan lage eines Monoposte.
Die Abgasrohre dieses Va-Motors sind auf einer Ban kseite wie d ie eines Reihenvie rzylinders zusammen-
gefasst: Die Rohre der beiden äu ßeren Zylinder und der beiden inneren werden jeweils zusammengeführt.
Ansch ließend werden die beiden verbleibenden Rohre zu einem Endrohr vereinigt. Das Endrohr wi rd
nach hinten zum Schalldämpfer geführt. Die Anlage schmiegt sich an d ie Fahrzeug/arm an. Man kan n
am Unterboden am Verlauf der Leiste für die Motorabdeckunq gut d ie Flaschenhalsfa rm des Wagens
erkennen.
Werkstoffe. Abgasanlagen beste hen j e nach angepeilter Lebensdauer und Budget aus Stahl,
nicht rost endem Stahl (1.4301. 1.4S28) oder Titanlegierungen. Die Wandstärke liegt bei
I mrn . Wenn Bauteile weiter st römungsabwä rts vom Zylinderkopfflansch entfernt sind. wie
etwa Sehalldäm pfertöpfe, können diese auch aus Al urni niu mlegie rungen oder aus faserver-
stärk ten Ku nsts toffe n bestehe n.
In Se rienabgasanlagen von Pkw wi rd Titan noch nicht eingesetzt. Es befinde n sich jedoch
schon Produktionsanlagen dafür in Entwicklung .
4.7 Schmierölversorgung Lubri cation system
Eine zuverläss ige Schmierung von hochdrehenden Rennrnot oren ist schwierig sicherzus tel-
len, aber für die Zuverlässigkeit des Aggregats unerlässlich. Die Hauptaufgaben des Öls sind
ja neben dem Schmieren (= Trennen von Gleitflächen, d. h. Reduzieren von Reibung und
Verschleiß) auch das Kühlen. Um das Gewicht des Motors nieder zu halten, wird versucht
auch die Ölrncngc klein zu halten. Prinzipiellgibt es je nach Ausführung derÖlwanne Nass-
sumpf- und Trockensumpfsch mier ungen . Eine Trockensumpfsch mieru ng ("'er/ dry slImp
luhricotionv stellt die Ölvcrsorgung auch bei ext remen Fahrzuständen sicher und ermöglich
nebenbei eine Luftabschcidung und reduziert Panschverluste von Kurbelwelle und Pleuel,
Bild L-113. Saugpumpen (I) saugen das Öl-l uft-Gemenge aus der Ölwanne bzw. aus den
einzel nen Kurb elka mmern ab. Die Abgrenzung in einzel ne Kurbelkammern verhindert bei
längs eingebauten Moto ren, dass Sehrnieröt beim Beschleunigen oder Bremsen nach hinten
bzw. vorne schwappt und die Pumpe da s Öl nicht absaugen kann. Aufder sclbcn Antriebs-
welle wie die Saugpumpen kann eine Zentrifuge (2) sitzen. die Öl und Luft trennt. Das
4 Baugruppen
L
Syste m muss gesc hlossen sein. deshalb werden Ze ntrifuge und Trockensumpfbehälter in
ei nen Übcrla ufbchäncr (8) entlüft et. Im folgenden Ölk ühler (3) kann d ie Wär me dann effi-
zienter abgeführt werden. als mit schäumendem Öl. Der Trockensumpfb ehälter (4) speichert
den Ölvorrat und lässt die restliche Luft aus dem Öl lösen. Die Öldruckpump e (5) erzeugt
den Fördcrdruck. Bevor das Öl zu den eige ntlichen Schmie rstellen im Motor gelangt. wird
es durch einen Filter (6) von Schmutzpa rtikel n befreit. Die wichtigste n Versorgungsstellen
s ind Ha uptlage r. Pleuella ge r. Spritzd üse n fii r Kolbenk ühlung. Rüdertri eb f ür Nocken wellen
und Nebena gg regate. Ventilbetätigung aber auch mögliche Nebe naggregate wie Abgastu r-
bolader oder Sch ra ubenverdichter. Die im Schema geze igte Anordnung des Ölkü hlers im
Fördcrkrcis der Saugpumpen hat den Vorteil. dass der Kühler im Niederdruckbereich des
Syste ms sitzt und weniger empfindlich auf Lecks - etwa durch Steinschlag hervorgerufen
-
reagiert. Der Kühler kan n auch im Hochdru ckbereich . also nach der Dru ckpu mpe. ange-
ordnet sei n und da s Öl vor dem Eintritt in den Motor kühlen.
Der Lage der Absau gst d le (n) im Kurbelgeh äuse bzw . in de r Ölwan ne kommt g roße
Bedeutu ng zu. Die Absaugpumpe n werden zwa r 20 bis 30 % größer dimensioniert als die
Druckpumpe n, weil sie j a ein Öl-Luft-Acros ol ansaugen. dennoch ist es wicht ig. dass das
Öl aus der Wanne entfernt wird. bevor es VOll rotierenden Teilen erfasst und im Kurbelraum
"verteilt" wird. Weist der Motor nur eine Pumpe auf. kan n die Saugleitung mit zwei Saug-
9
"
Summe :
•
3x 60 1/..1n
6x 1 5 1/min Kol benkühl ung
-4 bar
6
-------..
:r-- --,
6
,-
31
Bi ld L·113 Schema Troc kensump fschm ierung V6 - 2,5 I, nach {L02].
Pro Kurbelkammer arbeitet eine Lenzpumpe. Das Öl wird erst nach dem Luftabscheider dem Wärme-
tausch er zugeführ t. Die g esamte Ölmenge beträg t ca. 15 1. Die eingetragenen Volumens tröme gelten für
11000 mm-t,
1 Saugpump en (Lenzp u mp en) scavenge plJmp
2 Ölabs chei der (Zentrifuge) 0;/ sep era tor
3 Ölkühler oil cooler
4 Trock ensump fb ehälter dry slJmp oil rank
5 Druc kpumpe oressure pump
6 Ölfilter oll fil ter
7 Druc kregler pre ssure regula tor valve
6 Über laufbehälter cateh tank
9 Ausgleichs leitung breattJer line
10 Öldruc kanzeige oe pressure nacstoc
L Rennmotoren
1/
Bild L-114
Ötabsa upventu.
1 Saugrohr
2 Schie ber
3 Anschluss zur Ölp umpen-
Saugseite
Die Einheit ist que r zur Fahrt rich-
tung im Ötsumpt einge baut Der
SChieber wird bei Kur venfah rt
durch die Querbeschleunigung
nach links bzw . rechts bewegt
und verseheeßt so jeweils die Sei-
le, d urch d ie auch Luf t angesa ugt
w er d en kön nte (im Schnitt ist das
die rechte Öffnung). Entlastungs-
nuten an de r Oberseite verh ind e rn
das Stehenbleiben des Schiebers.
wenn sich Öl an des sen St irnse ite
angesammelt hat.
öffnunge n a usgeführt werden . Ein Ventil sorgt tr ägheits ge steue rt für das Verschließen des
Leit ungsteils auf der Kurvenin nenseite. Bild L-114. Mit einer solche n Vorrich tu ng ka nn
auch ein e Nasss umpfschmie rung in ei ne m Rennfahrzeug arbeiten, wie das Beispiel Formel
BM W/ADAC mit dem Motorradmoto r de r K11 00 geze igt hat.
Durch cine entsp reche nde Gest alt ung de r Ölwa nne bzw. des Kurbelge hä useu nterteils kan n
das zuver lässige Absaugen des Öls siche rgestel lt werde n und trotzdem das Kurbelraumvo-
lume n k lein gehalte n werde n. Saugpumpe n mit großem Durchsa tz können den Kurbel raum
praktisch evak uiere n. was vor allem bei höchsten Drehza hlen die Verluste des Kurbeltriebs
durc h Luft- und Ölwidc rstandn ahc z u elimi nier t. Bei sch nelllaufe nden Pkw-Motoren kommt
ein Ölhobel twinduge Imy) zum Einsatz, Bild 1.- 115a. Er trennt den Ölraum vom Kurbel-
raum und weist hobelart ige Abwcisc r auf. die z. B. direkt aus einem Blech ausgeklinkt sind.
Diese Varia nte lässt auch eine Nasssu mpfschmierung zu . Die Wanne kann seichte r ges taltet
werden . wenn zwe i se itliche Ölabla ufkanäle das von Abweisern aufgefangene Öl sammel n.
Bild 1.,-1I5b. Etwa 20 rnm Abstand des Bodens zu r Pleuelgeige genügen im Allgemeine n.
Mit Ölauffangkanälen reichen zwe i Absaugs tellen a m vorde re n und h inte ren Moto rende .
Eine seitlich e Absaug ung gesta ttet d ie geri ngste Bauhö he. Bild L- 1I5c . Bei Evak uie r ung
des Kurbelraums kan n die Gehäusekontu r extre m knapp an die Pleuelgeige bzw. die Gegen-
gewichtsbahn he ra nreiche n. Bild L- 1I5d.
Pumpen pumps. Die Öldr uckpu mpe e rzeugt einen Fördcrdruck von 4 bis 7 bar. Sie wird
direkt von der Kurbel welle oder vom hi nteren Wel lenende (z . 8. über eine Oldham- Kupp-
lung ) eines weite ren Nebenagg regats ( K übl mitt clp u mp c. Saugpu mpe, ...) a nget rieben.
Die vornehmlich eingesetzte n Pump e nbauarten sind: Zah nradp umpe. Trochoidenpu mpe
und Geretorpu mpe.
Wichtig ist nebe n der erforderlichen Förderleistu ng die Effizienz der Pumpe. Die Verlust-
leistu ng kan n bis zu 4 % der des Gesamt motors in besti mmten Betriebspunkten bet ragen
[L26].
6121
4 Baugruppen
L
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Bild l -115 Gestaltung der Olwanne ozw des Kurb elgehäuseunl erl eils.
a oecoer
b seitliche Ölauffangkanäl e
c seitlic hes Sieb
d mittiger Ölauffangkanal
1 Pleuelgeige conrod Iocus
2 Abw eiser scraper
3 Öl-Absauqstelle oil pick up
4 Melallsieb metal screen
Bild l -116
Ans ichten zweter Ötaut tanqräume.
a Ofwanr e mit Metauseo, vgl, B ild l ·115c,
b Kurbelgehäuseunte rteil eines hochd rehenden
VB-Motors. A us jeder Kurbelkamme r w ird das
Öl-luft-Gemisch tangential auf der auflau-
fenden Seite abgesaugt. Dazu sitzen außen
einzelne Absaugpumpen (Gerotorpumpen) in
einem gemeinsamen Gehäuse, die von einer
gemeinsamen Welle angetrieben werden,
L Rennmotoren
Bil d L-117 Ex terne Ö lpumpe (Formel Renaul t).
Der Motor ist von einem Pkw-Senenrnotcr angeleitet Die Nasssumpfschm ierung wird auf eine Trocken-
surnpfschmierung um ger üstet. Die externe Ölpumpe sitzt außen seitl ich an der flachen Gussölwanne und
wi rd über eine Welle vom Neb enagg regat et rieb an der Mo to rsnmsete angetrie ben , Den Anschl uss der
Welle an de r Pumpe übernimmt eine Klauenkupplung. Links im Bild ist auch der Ölkühler zu sehen, der
zw isc he n Mo torblock und Ölli lter eingeba ut wird und mit Wasser ge kühlt w ird.
Bil d L-118 Neb en ag g regat einh eit eines Re nnmoto rs.
Lin ks ist d ie Wasserpumpe angeordnet. daran schließen Öl-Druck- und Sauqpurnpen a uf eine r gemein-
samen Welle an. Die Einheit w ird außen an das Kurbelqeh äuseu nterteü angeschraubt und vom Motor
a ngetr ieben.
Trock e ns umpfölb ehä lter dry SlIfllP oiltank. Im Trockensumpfbehä lter wird der Ölvorrut
gespeiche rt und das rück laufende Öl von der restliche n Luft. die trotz de s Luftabschei ders
im Öl gelöst geblieben ist. getrennt. Er kan n auch zur weiteren w ärmeabfuhr aus dem Öl
mit Kühlrippen versehen sein . Der Trockensu mpfbehä lter sitzt möglichst nahe am Motor,
soll aber auch von kü hle nder Luft erfa sst werden.
Im Betr ieb ist der Füllstand so, dass ein Beruhig ungsraum oberhalb des Ölspiegels ver-
bleibt, in dem die Luft sich vom Öl tre nnen kann. Das Rücklaufol trilltangent ial am obe ren
Ende des Behälters ein und benetzt so als dünner Film die Behälterwand. Das erleichtert
das Abscheiden der Luft. Die Luft gelan gt über ei ne Enrlüft ungslcirung aus dem Behälter.
Gelochte Schwallbleche im Inne ren halte n die Bewegu ng des Ölspiegels auc h bei extremen
Fahrzuständen in Grenzen. Das Absaugen erfolgt nahe des Behälterbodens . weit von der
Einlaufstolle entfernt. Der Saugtriehter ist mit einem g robrnaschigcn Netz als Filter vcrsc-
hcn. Der freie Querschnitt dieses Siebs soll grö ßer als da s Zehnfache des Saugleitungsquer-
schnitts sein.
4 Baugruppen
L
e
I
I
o
o
9
•
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Ir/
Bild L-119 Trockensumptbehälter.
1 Entlüftung (zum Über laufbehälter) b reath ing
2 Schwallblech oben top battle pla re
3 Ö lspiege l im Bet rieb oillevel running
4 Schwallb lech unten bottom baffle plate
5 Temp erat ur sen s o r temperature sensor
6 Bodenplatte bottom pla te
7 Saug leilung zur Druckpumpe
pick up /lne 10 pressure pump
8 Rück la uf von Sauqp umpe
return from scavenge pump
9 von Mo torenl lüft ung from engine br eath er
Die Gehäuse werden zwe iteilig ausgeführt (Bodcnplattc, mittige Teilfuge. .. .), damit sie
innen ger ei nigt werden können. Trockensu mpfbe hälte r werden gerne in das Kupplungsge-
häuse (hell housing) integriert. z. B. bei Einsitzern und Sport-Prototype n.
Ocr Behälter muss so groß dimensioniert sein, dass die Schmierung auch trotz des Ölver-
brauchs währen d des Ren nens sichergestellt bleibt. Der Schmicrölvcrb ruuch lag vergleichs-
wei se beim Fcrd Cosworth DFV 3 l-Vg-Motor bei etwa 3,4 I auf320 Rennki lomete r [U 7].
Das Moto röl wi rd zw ischen Traini ng und Rennen gewechselt. Dadurch braucht jeder For-
mel-I -Wagen pro Rennwochenende mit etwa 2200 km \60 I Sch mieröl.
Je nach Motoreng röße werde n untersc hied liche Volumi na benötigt. Für A nhaltswe rte
kann Tabelle L-12 herangezogen werden .
MOlorhubvolumen [I)
Füllmenge [t]
Tab. L·12
Fassung svolumen von 'rrockenscrnotölbehettern .
bis 2,5
5
bls 4
7
bis6
10
L Rennm otoren
Bild L·120
Anordnung des Schmie rsystems
in einem Formel-Wagen (Arrows
A10 B Megatron).
Man sieht die Hinterachse mit
e inem mächt igen Achsgelriebe
(Fahrtrichtung nach rechts) , Der
Trockens um pfbehälter sitz t im
Kupplungsgehäuse und ist nicht
zu sehen. Darauf ist das schwar-
ze Ausgleichsgefäß angebracht.
Der Ölkühle r sitzt hinten auf dem
Getriebe und füh rt die Wärme an
d ie du rchs trömende luft ab. Sei-
ne Anschlüsse sind mit Te mp e -
ralurmessst reifen versehen.
4.8 Kühlung e ooling system
Das Kühlsystem füh rt einen Teil der bei der Verbrennung anfalle nden Wärme ab. Dies ist
erfo rde rlich. damit die Warmfestigkeit der Bauteile nicht überschritten wird (Zylinde rkopf,
Kolben. Laufb uchse• ...) . Beim Ottomotor wird auch die Gefahr von Klopfen und Glüh-
zü ndu ngen herabgesetzt. Außerdem ist die Dichte der Frischladung bei niedr igen Tempe-
raturen höher und damit die effektive Leistung des Motors. Fehler im Syste m (angefangen
bei einem undichten Schlauch) führen rasch zu m Totalausfall des Motors. Das Kühlsystem
von Serien- und Rallyefah rzeugen umfasst auch noch die Heizung für den Innenraum. Als
Kühlflüssigkeit wird meist ein Ge misch aus Wasser und Zuschlagstoffen eingesetzt . rcilwci-
se w ird auc h mit reinem Wasser gefah ren.
Das Syste m wird als gesc hlosse nes Syste m betriebe n. d . h . kein Teil der Kühlflüssig keit
wird an die Umgebung abgeführt. sondern im Fall eines zu hohen Überdrucks in eine n
Ausgleichsbehälter bzw, einen Übe rlaufbehälter. Aus diese m wird beim Abkühlen Kühl-
flüss ig keit w ieder ei ngesa ugt. Bild t -121.
Die Was se rpu mpe (I) förde rt d ie Küh lflüssigk eit in den Zylinde rblock. Diese um st römt
die Laufbu chsen von vorne nach h inten. Ein Teilstrom wird gleichzeitig zum Zylinderkopf
geleitet. Die Kalibrierung dieser Ströme erfolgt über unterschiedliche Bohrungen in de r
Zylinde rkopfdichtung ode r im Zylin de rkopfdeck . De r Zylinderkopfwird q uer von d er Ein -
lass- zur Auslasss eite du rchströ mt. Die rein e Längsd urchström ung wie sie an Gebrauchs-
motoren zu finden ist. kann bei hochbelasteten Motoren nicht eingesetzt werden. Die erste
Buchse ist bei der Methode nämlich die kühlste und die letzte die heißeste. Umgekehrt ist
durch die weitere Ström ung im Zylinderkopf von h inten nach vorne der letzte Bren nraum
der kühlste und der erste de r heißeste. Bei Formel-I -Motoren geht man noch eine n Schritt
weiter und kühlt Block und Kopf völlig getre nnt. Da mit kan n de r Brennra um relativ kühl
betrieben werden (ca. 60 "C Wassert emperatur) und die Laufb uchsen bei den sonst üblichen
Temperaturen (ca. cü bis 110 "C Wassertemperatur). An kühleren Buchsen würde Kraft-
stoff ais Kondensat niederschlagen und so die Verbrennung verschlechtern und die Schmie-
rung beeinträchtigen.
8
Bild L-121 Kühlsyslem schema tisch .
1 Wasserp umpe water pump
2 Mol or engine
3 Entl üftungsbehälter s wirl pot
4 Wärmelauscher radiator
5 Ölkühler oil cooler
6 Ausgleichs gefäß header rank. Delail zeigt
Ansc hluss st ul zen mit Deckeld oppelvenlil
4 Baugruppen
9
/:
J
7 Über laufbehälter essen tank
8 En tlüftung KÜhler top radiator bJeed
9 Entlüftung Mete r engine bleed
10 Anschlus s Fernthermometer
conneclion rempe ra/u re indicator
11 Ablassschra ube aretnplug
L
Die Kühlflüssigkeit verlässt den Motor im Bereich de s Zylinderk opfs an einer möglichst
hoh en Stelle. damit vorhande n Luft mitgerissen wird. Im dar auffolgende n Entlüftungsbe-
hälter (3) wird die Luft sepa riert und dem Ausgleichsb ehälter (6) zugefü hrt. Die Kühlflüs-
sigkeit gibt im Wärmetauseher (4) die Wärme an die Umgebung ab. Im Rücklauf zu Was-
scrpumpcnsaugscitc kann ein Ölkühler (5) angeordn et werden. Im Ausgleichbehälter laufen
sämtliche Entlüftu ngs1citungen z usam men. Der Behält er ist mit ei nem Deckel versch losse n,
der ein Doppelve ntil enthält. Steigt der Systemdruck über einen Grenzw ert, öffnet das Tel-
lcr vcnril und eine Teilmenge strömt in den Überlaufb ehälter. Sinkt der Druck im System,
z. B. beim nachfolgenden Abkühlen, könnte ein Unterdruck entstehen, der Leitungen und
Wärmetauseher kollabier en lässt. Ein Unte rd ru ckventil im Deckel verhinde rt das, indem es
öffnet und die fehlende Wasserm enge aus dem Überla ufbehälter wieder einsaugt.
Bei zwei Wärmetausehern sieht das prinzipielle Schema gleich aus, Bild (, -122. Damit
bei hochbelasteten V-M oto ren eine gleich mäßige thermisc he Belastung gewährleistet ist,
w ird alle rd ings üblicherweise jede Zylinderbank von e iner eige ne n Wasse rpu mpe verso rgt.
Das System steht unter einem Überd ruck (ca. 1,3 bis 1,5 bar), der mit dem Überlaufventil
des Ausgleichsbehälters eingestell t wird. Wegen des höheren Systemd rucks siedet das Was-
ser erst bei höheren Temper at uren (über 120 °C). Die Kühlflüssigkeitstemperatur soll bei
etwa 90 "C gehalten werden. In wärmeren Ländern (z. B. Südafrika) wird dieser Zielwert
wege n der höhere n Umgcbungstemperatur überschritten .
Ein Thermostatve ntil. da ss den Kühler in der Warmla ufphase des Motors umgeht. wird
bei den meis ten Rennfahrze ugen nicht geb ra ucht.
Als grobe Faustregel gilt. dass die abz uführende Wärmemenge pro Zeit etwa der Lei-
stung an der Kurbelwelle entspricht. Die vom Wasser transportierte Wärme hängt von sei-
nem Volumenstrom (Wasserpumpe) und der Temperaturdifferenz (Wännctauschcr) ab. Die
L Rennmotoren
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Bild L-122 Kühlmittelkreislauf bei zwei Wärmeta usehern (Ansicht von oben ).
1 Wasserpumpe water pump
2 V-Moto r V-engina
3 Ennütt unqsbehälter s wirl pot
4 Wärmetausehe r rechte Bank radiator fight hand bank
5 Wärm etau seher linke Bank radiator left nena bank
6 Ausgleichsgefäß re eaer tank
7 Üoertaufb ehätter cateh tank
8 Entlüft ung Küh ler top radia tof bleed
9 Entlüft ung Motor engine bleed
Temperaturdi fferenz zw ischen Kühlmittclcin- und -aust ritt soll gerade bei hochbelasteten
Motoren möglichst geri ng sein (etwa 5 "C. Be i Ge bra uchsmotoren bis 10 "C) . Höhere Tcm -
pc rat u rdiffc rcn z cn e rlaube n zwar des Verringern des Fördc rvolumc ns der wasserp umpe .
fü h ren aber zu höheren Baut eilspa nnu nge n.
Hö here Sys temtemperat uren ermögliche n ein Verkleinern von wärmetausehe rn. Damit
wird das Packeg ing (Anordnu ng säm tl icher Bauteile im Wagen ) einfacher, die Menge an
Kü h lflüssi gk eit klei ner u nd die Ae rody na mik des Gesamtfahrzeugs kann wege n d er gerin-
geren Kühlersti rn fläehe weiter gesteigert werden. Alle rdings m uss der Moto r und sei ne
Systemkompo nenten trot z des höhe ren Tem pe rat ur nivea us akze pta ble Leis t ung bei aus rei-
chender Zuve rlässigkeit liefern. Unter an dere m m uss meh r Wär me über d as Seh rnierö t abge-
führ t werden. Einige Formel-I -Tea ms h aben d iese n (m ühsamen) Schritt erfolgreich geta n.
Für mittlere Strömungsgeschwindigkeiten in Saugl eitu ngen wi rd 2.5 mls und in Dr ucklei-
tunge n 5 m/s e mpfohlen. De r Durchmesser von ausgeführ tcn Verbind u ngsleitungen beträg t
je nach abzuführe nde r Wärme leistung 25 bis 32 mm .
Luft im System stö rt die Wärme a bfu h r bet rächtlich - Luftb lase n wirke n als Isolato r
und können durch Ansammlunge n zu lokalem Sieden führen. Ein Entlüft ungsbehälter im
Rücklauf. meist nach de m Aus tritt aus de m Zylinderkopf tren nt einen Großteil even tuell
vorh a ndener Luft übe r eine n Zentrifuge neffekt. Bild L- I23. Das Wasser w ird d u rch die
618 1
4 Baug rupp en
L
Bild L-123
Ent lüftungsbehälter (swirl pot).
Das Wasser durchströmt den Be -
hälter in Form einer Sch raubenü-
n ie. Du rc h eine Zentrif uge nw irk ung
bleibt vo rhandene Luft eher in de r
Mitte, von wo sie entweichen kann.
Die Entlüftu ng ist mit dem Aus -
g leichsgefäß verbunden.
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Motor
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Anordnung der Rohrstutze n zu einer schraubcnförmigcn Bewegung gezwungen, bei de r
die leichtere luft in der Nähe der Schraub achse bleibt und von da nach oben den Behälter
verlassen kann.
w ärm erau seh er heut exchanger. Wärmet auseher bestehen au s Alu minium. Kupfer wurde
in der Vergangenheit """cgen seiner besseren thermischen Leitfähigkeit als Grundwerkstoff
verwendet. Dieser Vorteil wurde aber mit dem Nachteil einer höheren Masse erkauft. Wär-
metau seher sollen nicht lack iert werde n, weil Lack eh er als Isolator wirkt, als dass er die
Wärmes trahlu ng vor teilhaft bee influsst.
Als Einbauorte von Wärmetausehern werde n der Fahrze ugbug und seitliche Kästen
neben dem Cockpit bevorzugt. Als Nachteil de r Buganordnung liegen die langen Leitungs-
wege und die Problematik des heiß en Wassers an offenen Fahrze ugen bei einem Frontal-
aufprallauf der Hand. Eine motornahe Anordnung von Ladeluft- und Wasserk ühlem hält
die Lcitungsvolu min a klein. reduziert Ström ungsverl uste und erleichtert den gewünschten
mod ularen Aufbau, der die Wa rtung erleichtert .
Kühler werden von oben nach unten ode r von einer Seite zur ande ren (quer)durchst römt.
Bei Querstrom kühlem tritt die Kühlflüssigk eit idealerweise unten ein und oben aus. A ll-
gemein solle n die Anschlüsse nicht nur unten oder oben sein, sondern so, dass der Küh-
ler .xiiagonal" du rchströmt wird und so keine Luftpolste r stehen bleiben. Eine Entlüft ung
des Kühlers soll trotzd em vorgesehen werden. Die Leistung ein es Querstro mküh lers kan n
erhöht werden, ind em bcid c Anschlüsse auf derselben Seite angebracht werde n. Zwische n
den Anschlüssen befindet sich ein Trennblech im Wasserkasten genannten Verteilvolumen .
das eine Querströmung erzwingt. Die Kühlflüssigkeit durchströmt dann den Kühler in sei-
ner Breite zweimal. Ein Kühler dieser Bauart kommt auch mit einer geringeren Einbauhöhe
aus.
L Rennm otoren
Bild L-124
Warme lauscher (Reynard/BAR).
Der Warmeta useher ist im linken
Seitenkasten eines Einsitzers
untergeb racht. Die Form des
Seitenkastens lasst sich an der
Kontu r des Unte rbodens erken-
nen. Der Kühler ist schräg zur
Fahrzeuglängsachse ausger ich-
tet und verb reitert dad urch nicht
die Stirnfl äche des Fahrzeugs. In
der Ansch lussleit ung im Vorder-
grund ist ein elektrische r Vorhei·
zer un tergebrach t.
Der Lufteinlass zu den Kühlern ist so positioniert, dass er den Gesa mtluftstrom um das
Fahrze ug nur wenig stört. Die Q uersch nittsfläche des Luft auslasses nach den Wärmetau -
sehern muss größer sein als die des Einlasses. Auch auf de r Auslassseite wird versucht die
Gcsumtumst röm ung positiv z u beeinflussen bzw. ein Unte rdruckgebiet z u nutzen u m den
Luftdurchsatz durch den Kühler zu heben. Weitere G esta ltungshinweise z u den Schächten
fü r Wär metausche r finden sich im Ka pitel E 6 Warmeabfu hr lind Etuliifrung.
Schlaucha nschlüsse sowie -vcrbindungc n stel len eine mögl iche Ausfallsurs ache dar und
sollten daher besonders sorgfält ig ausgefü hrt werden . Es gibt zahlreiche Schnellversc hlüsse
aus Metall mit O-Ringdichtungen, die für Langstrcc kcn rcnnfa hrzc ugc interessant sind. wo
es au f schnelle Repa ratur ankommt (z . R Bild L-126). Im Nor malfall reichen gesickte Rohre
und das Einhalten von Mindestm aße n für eine solide Schla uchverbind ung. Bild L-125.
Ein (gee ignet e r gewebeverstärk ten Schlauch hat den Vorte il. Beweg unge n zw ischen
den A nschlussstellen zuzulass en und Teleranzen zwischen weiter entfernten Baugruppen
( Motor, wärmeta usc her. Behälte r ) ausz ugleiche n. Im Gege nsatz d azu können kurze Schläu-
che und Rohrleitungen im ungünstigen Fal1 d urch Übertragen der Motorbeweg ungen z um
Abreißen von A nsch lussst utzen führen.
min.lxd
R2.5 ~
~
-~-~----II
a
1
2
a Boh rstutzen
b Schlauchverb in-
dung
1 Sch lauch ho se
2 Sche lle clamp
Bil d L-12 5 Günstige Ausf üh rung von Rohrstutzen und Sch lauchverbindungen (tw. nach DIN 71550) ,
Der Roh rst utzen we ist eine Sic ke (bead) zum Halten des SChlauchs und ei ne Rundung zu r Montageer-
leichterung au f.
5
5 Beson derheiten von Rennmot oren
Bild L·126
Schnel lverschluss (System Wiggins)
1 O-Ring O-ring
2 Innenring seeve
3 Schelle coupling
4 Anschweißtfansen welding {lange
5 Rohr tube
Die beiden Ansenwennansehe tragen jeweils
einen O -Ring (1). der bei der Mon tage die Dich-
tung zum Innenring (2) hers tellt. Die Flansc he
(4) werden durch eine gelenkige Schelle (3) in
Achsrich tung geha lten. Die Schelle kann mit ei-
ner Hand gesch lossen werden und erlaubt eine
leichte Kontrolüerbarkeü der Verbindung.
Dieses Verschlusssystem ermöglicht einen axi-
alen Ausgle ich im Bere ich von 6 mm und eine
W inkelabwe ichung bis 4°.
L
Alumi niumrohre sind im Gege nzug leichte r als Schläuche g leichen Innend urch mes sers und
halten wcgen ihre r For msteifigkeit die Einbaulage im Fahrze ug wese ntlich besser ein. Das
er höht d ie Zu verlässigkeit bei engen Platzverhältn is sen und bewegten sow ie heißen Teilen
in unm ittelbarer Nähe (Wellen. Riemenscheibe n. Abgasroh re.. . .) .
5 Besonderheiten von Rennmotoren Specialities
Im Grunde gibt es keinen Unterschied zwischen Serien- und Rennmo toren . Aber dad urch
dass die Renn t riebwerke ausgere izt und meist f ür einen bestimmte n Einsatz konst r uiert
sind . g ibt es im Detail doch einige auffallen de Abweichungen .
:\Ioto rsta r t engine stan. Extrem hochgezüchtete Motoren können nicht wie Serie nmotoren
angewo rfen werden. Vor dem Start wi rd der gesa mte Motor übe r exte rne Einr icht ungen
vorgewä rmt. Entwede r wird d ie Kühlflüssigkeit beheizt oder es wird wenigstens die Kraft-
stoffzu rncsscinrichtung vorgewärmt. Das Kühlsystem w ird mittels gee igneter Vorr ichtung
unter Druck gesetzt um Leckagen z u ort en. bevor di e Verkleidu ngste ile am Fahrzeug ange-
bracht werden [L27].
L Rennmotoren
Die Kraft stoffz umc sscin richtu ng wird auf fett (s . Anha ng: Luftvc rhiiltn is) ei ngestellt und
die elekt rische Kraft stoffp umpe eingescha lte t. Die Kurbelwel le w ird meist übe r exte r ne Ein-
richtu ngen (Druckl uftsta rter über Getriebeeingangswelle. elektris che Start er) zum Drehen
gebracht. Sobald de r Motor a us eige ner Kraft läuft . sorgt bei ma nche n Motor e n e ine mecha-
nisch betri ebene Kraftstoffp umpe für den Systemdruck. Zunächst wird der Motor bei etwa
2000 mi n -1 betrieben. bis ÖI- und Kühlflüssigkeits temperat ure n über 30 "C gestiege n sind.
Erst dann wird die Drehzahl gesteigert und da s Gemisch abge magert. Der Wagen d arf die
Box erst verlassen. wenn die Temperat ure n der Kühlllüssigkcit 70 "C erreicht haben [L27].
Tr a nspor t transport, Bei pne umatischen Vernilfedern müsse n diese mit ei ne m Behälter
unter Druck gesetzt werden. Sonst rutschen die Ventile durch das Eigengewicht in den
Brenn raum und besc hädigen d ie Kolbenkrone.
Mo tc r tagcr u nJ,: engine suspension, Eine schw ingung sis olierte Aufhängung über elastis che
Lager. wie sie bei Serienfahrze ugen Standa rd ist, kommt bei Rennfahrzeugen kau m vor.
Entkopplungsclcm cntc beanspruchen Bau raum . ebe nso wie Bauteile. die durc h eine solche
Befestigu ng Bewegu ngsrau m erhalten . Sie stellen eine zusätzliche Masse dar und außer-
dem führen elastische Elemente zu Ene rgieverlusten sow ie lndi rckthcit durch z usätzlichen
Bewegu ngsraum. Im Allgemei ne n wird der Motor dir ekt an den Rahmen geschraubt, wenn
er nicht sogar mittragendes Element des Fahrzeugs ist.
Bild L-12 7 Ansicht eines Motors von vo rne (Ferrari Formell V1O-Zylinder ).
Ein V-Motor b ietet d ie Mögl ichkeit we it entfern te Befest igungspunkte an Kurbelgehäuse (hier zwei unten)
und Zylinderköpfen (hier je zwei am Dec kel oben } be reitzustel len. An d iesen Stellen w ird das Aggregat mit
dem Monoccqce ve rschraub t.
6 Betriebsstoff e
Bild L·1 28 Ansicht eines Mot ors von hinten (Ferrari Formel 1 VlO- Zylinde r).
An einem mittra genden Motor wird das Kupplungsgehäuse und das Getriebegehäuse angesch raubt und
über d iese Verbin dung werden sämt liche Kräfte und Momente von der Hinte rachs e in d en Rahmen ein-
geleitet. A n den Zylinder kopfhauben befindet sich je eine Aufna hmeboh rung für da s Kupplungsgehäuse.
die vorteünatt weit von den Bohrungen im Kurbelgehäuse ent fernt sind.
6 Betriebsstoffe Fue/s, eoo /a nts and lubrieants
Übliche Be tr iebs stoffe für Moto ren s ind Kra fts toff, Schmierst off und K ühlfl üssigkeit .
6.1 Kraftstoffe Fuefs
Bei Ono kraftstoffcn sind ihr Siedeve rlauf und die Klopffestigke it herausragende Eigen-
schanen für den motorisc he n Betr ieb. Klopffestigkeit ist d ie Fähigk eit des Benzin s eine
ungewollte (also nicht durch die Zündk erze eingele itete ) Entßam mung zu verhindern. Eine
lä nge rdaue rnde klopfende Verbrennu ng führt zur Schädigung und in Folge z ur Zer störung
vo n Zündke rzen. Kolb en. Zyl inderk opfdichtu ng und Ventilen . Ein Maß für die Klopffes tig-
keit sind die Oktanzahlen. Je höher der Wert, desto klopffeste r de r Kraftstoff.
Der Siede ve rlau f al so die Verd unstu ngsan teile übe r der Te mpera tur. ha t g roßen Einfluss
auf das Motorverhalten . Zum Star ten sind nied rigsiedende Kraft stoffb esta ndteile günstig.
Zu viele da von führe n jedoch vor alle m im Sommer z ur Da mpfbla senbildu ng im Kraft-
stoffsystc m. Schwersiede nde Antei le sind d iesbezü glich bes ser. Sie könn en j edoch a n der
ka lten Zylinderlauffläc he kondensiere n und die Kolbens ch mie run g e mpfindl ich stören .
Kraftstoffanteil e. d ie im mittleren Temperaturbereich ve rda mpfe n. f üh ren zu g ute r Fahr bar-
L
L Rennm otoren
kcit. Umgekehrt macht sich ein Mangel an Anteilen im mittleren Bereich durch "R uckeln"
beim Beschleunigen be merkbar. Beim Heißstart des Motors sind die Anforderungen an den
Kraftstoff ge rtau umgekehrt. Naturgemäß sind die Umgebungstemperaturen nicht immer
gleich und deshalb gibt es Kraftstoff in Wintcr- und Sommerqualität.
Bei Rennkraftstoffen kommen zu den erwähnten Eigenschaften noch Innenkühlung (für
erhöhte Füllung), hohe Bren ngeschwi ndigk eit (für hohe Dreh zahlen) und gro ße r Hei z we rt
(für hohe Ene rgie zufu hr) hinz u.
Die Höhe der im Kraftstoff gebundenen Energie ist besonders interessant, weil sie sich
direkt auf die Motorleistung auswirk t. GI. (L.3) gibt diesen Zusammenhang in einfacher
Form wieder . Möchte man Kraftstoffe hi nsichtlich ihres Ene rg iegehalts vergleiche n is t
daher der Gemischheizwert HG (GI. (LA» die entscheidende Größe und nicht der spez i-
fische Heizwert Hu' Die Daten in Tabelle L-13 mögen das veranschaulichen. indem für
den Gem ischheizwert der für ihn wesentliche Quotient H ufLmin angeführt wird. Nirromc-
than weist zwar einen deutlich geringeren Heizwert auf als Iso-Oktan, aber die mit der
erforde rlichen Luft freiz usetzende Energiemenge im Brennraum ist mehr als das Doppelte,
weil Nitromethan wesentlich weniger Luft zur stöchiometrischen Verbrennung braucht. Die
Ausnutzu ng der doppelten Energiemenge resultiert natürlich auch in einer entsprechend
stär keren thermischen und mechanischen Belastu ng des Motors.
Eine hohe Brennge schwind igkeit ist fiir Rennkraft stoffe in je de m Fall von Vorte il. Mit
einem angepassten Zündken nfeld kann die Klopfgrenze verschoben werden und der Schwer-
punkt der Energieumsetzung kann in de n Bereich verlegt werden. in dem der Kurbeltrieb den
höchst en mecha nische n Wirku ngsgrad hat (je nach Pleuelverhältnis Xbis 15 <l KW nach OT).
Tab . L -13 Energievergleich von Kraftstoffen. nach [L26].
Kennwert
Nitr omethan
Methanol
Iso-Oktan
Summenformel
CH3N0 2
CH30H
CeH,e
0 2·Gehalll% (mIm)]
52.5
49,9
0
Heizwert Hu (kJ/ kg]
11300
19900
44300
Luftbedarf Lm;n [kg/kg)
1,7 :1
6,45:1
15,1 :1
spezifische Energie HJLm,n [kJ/kg)
6647
3085
2934
Methanol findet in einigen Rennserien Verwendung (z. B. IRL und Eisspccdway}.Es hat
einen wesentlich geringe ren Luftbedarf als übliche Ortek raftstoffe (Tabelle L-13), wes-
halb die Ge mischbildung an Methanol ange passt werden muss. Auch Werkstoffe (vor
allem Dichtungen und Einspritzsystcmtcilc ) müssen wegen seines korrosiven bzw. quel-
lende n Verhalte ns gez ielt ausgesucht werden. Inner moto risch er weist sich die hohe Ver-
dampfungswärm e als Vorteil: Die Brennraumtemperatur ist niedriger als bei Benzin und
dadurch die Zylinderfüll ung höher. Auch das Verdicht ungsverhältnis kan n höher gewählt
werden als bei Ott okraftstoff. Alkohol ist auch sta rk hygroskopisch. Deshalb spülen viele
Teams am Ende des Rennta gs den Motor mit Benzin, indem sie ihn damit betreiben. bis
das Kraft stoffsystem methanolfrei ist.
Ein Methanolb rand ka nn im Gegensatz zu a nderen Kraftstoffen mit Wasser gelöscht wer-
den.
624 1
6 Betriebsstoffe
Tab elle L-t4 zeigt einige Spez ifikationen von Kraftstoffen, die 1988 bei der Lcisrungscnt-
wicklung des Honda Y6 l.Svl-Turbomotors für die Formel I untersucht wur den. Die besten
Ergebnisse wurden mit dem Krafts toffe erreicht: 742 kW Leistung bei 12000 rnin -! und
664 Nm Drehmoment bei 9700 min -t . Der Kraftstoff hat einen hohen Toluol-Anteil und
eine Dichte. d ie be reits im Bereich von Dieselkraftstoffen liegt. Die hohe Dichte filhr t dazu,
dass der Kra ftstoff trotz des ge ringeren spezifisc hen Heizwerts absolut mehr Energieinhalt
aufweist als die beide n anderen.
Tab . L -14 K rafts toffspezif ikat ione n fü r Ottomotoren . n a ch [L4 5].
K enngröB e
A
B
C
Zusammen- Toluol
30
60
64
setz ung
[%J
n -H eptan
4
9.5
16
Iso-Oktan
66
30 .5
0
Research O ktanzah l ROZ
101.6
10 1.9
101.8
Motor Oktan zahl MOZ
94 .2
91.2
90 .0
Dichte (bei 15 Oe)[kg/dm3j
0.747
0.799
0.840
epez. Heizwert Hu [kJ/kg]
43 124
41931
41102
l uftbedarf Lm1n [kg/kg]
14.5:1
14.0 "1
13,7: 1
Dampfdruc k nac h Reid [bar]
0.151
0.138
0,118
Siedeverlauf A nfa ng
96,0
98 .5
100.0
rCJ
10%
97.5
100,5
105.0
50%
98 ,5
102.0
106.0
90%
100,0
102,0
108,0
Siedeendpun kt
123,5
108,0
116.0
Einen Nachteil haben sä mtliche Renn k raftstoffe als Spezia lprodukte gemein: Sie sind
schwe r verfügbar und teue r. Nicht zule tzt desha lb werden in vielen Rennserien - so auch
mittlerweile in der Formel 1 - Kraftstoffe vorgeschrieben, die handelsüblichem an de r
Tankstelle erhältlichem Benzin oder Diesel entsprechen.
6.2 Schmierstoffe Lub ricants
Die Aufgaben des Schmierstoffes sind vielfältig. Z unächst muss er die Reibung zwisc hen
Gleitpartnern niedrig halten und im Idealfall einen mechanischen Kontakt zwisc hen ihnen
verhindern. Der Schmierstoff verringert den Verschleiß und transportiert Versehrnutz ung
und Verschleißparti kel vo n de r Schmie rste lle weg. Eine weitere Aufgabe besteht im Abfüh-
ren von Wärme und Abdichten von Spalten. Für die meisten dieser Funktionen ist nicht nur
L
L Rennmotoren
die Zu - son de rn vor all e m die Abfu hr des Schmierstoffs en tsc heide nd . Bei Motore n erfüllen
flüss ige Schmierstoffe. also Öle . diese A ufga ben.
Zu den Anfo rderungen an Schmieröle gehört, dass sie bei geringen Temperaturen so
d ünnflüssig wie mög lic h sind u nd b ei hohen Temperat uren tro tzdem no ch a usreichende
Zähigkeit a ufweisen. Für den Ei nsatz bei Geb rauc hs moto ren so ll der Verda mpfu ng sverlust
mögl ichst gering sein . damit der Ölvcrbra uch nieder bleibt. Au ßerdem sollen versehrn ur-
zu ngspartikcl und Verbrennu ngsprod ukte in Schwebe bleiben, da mit die Ölwcchscll r uc r-
'la lle groß ge h alten wer den kön nen .
Ö le fü r Ren n mol or e n müssen f ür den jeweiligen Einsatzzweck op ti miert sein. Fü r die
hoch dre he nden Formel-I -Motoren werden vo llsy nthe tische Öle verwendet. Sie zeichnen
sic h d urc h höc hs te Seher- u nd Temperaturbeständigkeit. bei gle ichzeitige m ge r ingen Rei -
bungswiderstan d au s. Allein 15 bis 20 kW Motorleistung konnten durch die Ölcnrwicklung
gewonnen werden [L35]. Die Öle sind seh r dünnflüssig u nd bra uchen hohes Schau mdämp-
fu ng s vc rm ögc n. wegen der hohen Motordrehza hlen u nd de r e ntsprechenden Ölbcwcg ungcn
im Troc kens umpftank u nd im Motor . Renn motore n werden zu mi ndest a n de r Volllas t wege n
der resultierenden höhere n Motorleist ung sehr fett (s. Anhang : Luft verh ält nis) betrieben
(dies gi lt nicht ganz für Langstreckenmotoren. d ie wegen de r Bede utu ng eines günstigen
Kraftstoffverbrauchs um). = I betrieben werden). Für das Öl bedeutet das erhöhte Gefah r
von Kraftstoffverdünnung. Die Schm utzlöslichkeit des Öls muss deshalb höher sei n als bei
Ben zin. Die Kaltstartfähigkeit ist bei Rundstrecke nmotoren kein Thema. Die Lebensdau-
er spielt eine ge r inge. be i La ngst rec ken rennen naturge mäß ei ne größere Rolle. Der Ölvc r-
brauch und auch das Nachfüllen müssen berücksichtigt werden [L26] .
Werde n Motoren m it Methanol betriebe n. m us s nebe n d em Ge mischbild ner auc h das
Öl an den Kraftstoff angepasst werde n. Die Rückstandsbildu ng an Kolben und Brenn-
ra um flächen ist ger inger a ls bei Benzinbet rieb . deshalb kann de r Geha lt an Dctc rgcnticn
(Ölreiniger) und Dispergentien (Sch mutzlöser) nied riger sein. Dafür müssen Korro sion s-
u nd Verschleißsch utz stä rker ausgepräg t sei n. weil Korrosion u nd Zy linderverschle iß im
Kaltbetr ieb a nsteigen [L26].
6.3 Kühlflüssigkeit Coo lan t
Die Kühlflüssigk eit kann j e nach Reglement reines Wasser oder ei n Gemisch aus Wasse r
und einem Schutz m ittel sein. Das Sch utz m ittel verhindert oder verzögert Korrosion im
Wärmet auseher und im Motor vor allem . wenn unterschiedliche Werkstoffe im Kühlsy-
stem verba ut sind. die in der elektrochemischen Spannu ngs reihe weit auseinander liegen.
Übliche Metalle mit dene n Wasse r in Berührung kommen kann sind: Aluminium. Gussei-
sen. Kupfer. Messing. Stahl und Zinnlot. Bei Gebrauchsmotoren und anderen Fahrzeugen.
die im Wi nter ei ngesetzt we rden . kom mt noch eine Au fgabe für das Schutzmittel hinz u.
nä m lich d e r Gc fricrsc hutz. Al s Gcfricrsch utz werden mch rw crt ig c Alkohole he rangezo-
gen. Das Wasser w ird für mitteleuro päische Kli maver häl tnisse etwa im Verhält nis I : I mit
Kühlerschut zm ittel gemischt. Die üblichen Glykole hebe n vorteilhaft den Siedep unkt de r
Kü h lflüssigk eit im Vergleich z u Wasser. Bei der a ngefü hr ten 5Cl % -Konze ntra tion lieg t de r
Siedep un kt bei 109 "C . Von Nachtei l ist allerdings ihr Ein fluss auf die spezi fische Wär me-
ka pazitä t de r Kü hlflüssig keit. Diese sink t m it ste ige nder G lykol-B ei mischu ng. d ie Fäh igkei t
Motorwärme abzu fü h ren n immt also ab.
7 Beispiel e von Moto ren
7 Beispiele von Motoren Examples of engines
Deutsche Tourenw agen xtasters (IH M). Die Grundbauform der Motoren ist eng abge-
steckt: vx-Saug-Ouomotor mit rnax. 4 I Hubraum. Die Leistung wird durch zwei zxmm-
Restriktoren limitiert. Der Motorblock muss einen Bankwinkel von {)()O aufweisen und aus
Alum inium bestehen. Im Alum iniu m-Zylinderkopf dürfen max. vier Ventile pro Zylinder
sitzen und diese müssen über Tassenstößel und Schrauben federn betätigt werden. Ventile
müssen aus Stahl oder Titan bestehen. Die Nockenwellen dürfen nur über Kette ode r Zahn-
riemen angetrieben werden. Variable Systeme sind bei der Ventilsteuerung. sow ie im Saug-
und A bg assyste m ve rboten.
Die Motoren müssen trocken. aber mit Hilfsaggrcgatcn und mit allen am Motor befestigten
Teilen außer der Abgaskrümmer mindestens 165 kg aufdie Waage bringen.
Die Laufleistung der Motoren steht neben der Reibungsreduktion im Vordergru nd der
Entwicklung. sind die Triebwerke doch die ges amte Saiso n versiegelt und dürfen nur zum
Einstellen des Ventil spiels geö ffnet werden. Die Haltbarkeit liegt bei über 5000 km .
Typische Maximalwerte der Motorkennlinien sind 340 kW Leistu ng bei 6750 min -I und
510Nm bei5250 min-I
.
Formel 3. Die Motoren basieren auf Serienagg regaten. die in ein Einheitsfah rzeug ein -
gebaut werden. Haltba re. kostengünstige Motoren sind ein Reglem entsziel. weshalb Luft-
mengenbegrenzer zum Einsatz kommen. Die Motoren halten dadurch eine Rennsaison mit
Revisionen in Intervallen von 2500 km [L17]. Die Motoren dürfen maxi mal vier Zylin -
der und 2 I Hubraum aufweisen. Aufladung und Zweitaktverfahren sind nicht erlaubt. Das
gesamte Ansaugsystc rn einschließlich Gemischbildner muss in einen Quade r von 1000 mm
Länge sowie 500 mm Breite und Höbe passen. Die Motoren werden mit handelsüblichem
Kraftstoff betrieben. Die Abgasanlagen weisen Schalldämpfer und Katalysatoren auf.
Der a -Zylindcr-Rcihcnonomotor von Opcl ist mit 86 mm Bohr ung und Hub quad ratisch
ausg elegt. Hild 1.-129. Der Vicrvcnt ilcr erreicht trorz des Rcsrrikr ors einen effektiven Mit-
teldruck von 16.1bar. Das entspricht einem Moment von256Nmbei4600 min-I. DieMaxi-
malleist urig von 129 kW wird bei 5000 min -I erreicht. Der Zylinderblock ist aus Graug uss.
Die Zweiring-Kolben laufen direkt au f den gehonten Gehäuseflächen (lmcgrulbuchsc). Die
Ventile im Alum iniu m·Zylinde rkopfwerden über zwei obenliegende Nockenwelle n sowie
Stahlfede rn betätigt.
Der Motor weist keinen Generator auf Die Bordbatterie allein deckt den Energiebedarf
über eine Renndistan z. Die Abgasanlage weist eine Vier-in-eins-Zusa mmenführung auf.
Das gemeinsa me Abgasrohr mündet in einen Schalldäm pfer. Der Katalysator bildet den
Abschluss. Das Aggregat wiegt 96 kg.
Formel Renault. Der Motor basiert aufeinem Pkw-Serienaggregat (Renault Clio RS 20( 0).
Vor allem die Motorbefestigung und das Schmiersystem wu rden an den Einbau in einen
Monoposte ang epasst. Bild L-130. Es ha ndelt sich um einen Reihenvierzylinder-Dttomotor.
Aus 82.7 mm Bohrung und 93 mm Hub entsteht ein Hubvolumen von 2 1. Vier Ventile
pro Zylinder werden von zwei obenliegenden Nockenwellen und Stahlfede rn betät igt. Aus
Kraftstoff mit ROZ 98 und mit einer Verdichtung von 11.2 : I setzt der Motor 133 kW Lei-
stung bei 6300 min-I und 213Nm Drehmoment bei 5300 min"! frei. Die Abgase werden in
L
L Rennmotoren
Bild L·12 9
Querschnitt Formel-3-Motor (Opal serson 1992)
[L11].
4 Zylinder 2,0 I Ottomotor
Leistung: 129 kW/5000 mm - t
Drehmoment: 256 Nm/460Qmin- 1
Vom damal igen Reglement war ein Ai rrestr ictor mit
024 mm vorgeschrieben. Das Saugrohr mitsamt
der Airbox für d iesen Motor zeigt Bi ld L-96.
Bild L-13 0 Motor eines Formel Renault (rechte Seite).
Der Reihenvie rzylin dermotor w ird über eine Traverse am Zylinderkopf und über seitliche Schraubb ut-
zen an der gegossenen, f lachen Ölwanne (im Bild nicht sichtbar) mit der Rückwand des Mo n o c oq u es
verschraubt. Er ist mitt ragend im Fahrzeug eingebaut und vermittelt so zwischen dem Ge triebe, das d ie
hintere Radaufhäng ung trägt. un d dem Monocoque.
6281
7 Beispiel e von Moto ren
einem Katalysator nachbehandelt. Eine Revision des Triebwerks wird alle 600(J km fällig,
das ist für Rennteams ca. d rei Mal im Jahr.
For mel I. Die Moto rkonst ruktion wird miulc rwcilc dur ch das Reglement extre m sta rk ein-
geschränkt. Es müssen 2.4-I-Saugmotore n mit acht Zylinde rn sei n. Das nutzbare Drehzahl-
band fällt sehr schmalen lIUS. Die Leistung liegen um 5S0 kW (im Qualifying etwa um 20 kW
mehr). Die maximale Dreh zahl ist per Reglem ent mit 1900(J rni n-! festgelegt. Bohrun g x
Hub ergeben sich aus den angestrebte n Verhältnissen zu 95 bis 100 x ca . 40 mm.
Die Motormasse betrug S5-90 kg bei de n 3-I-VIO-Motoren und ist nun du rch ein Min-
dcstgcwicht von 95 kg vorgege ben . Sogar d ie Schwe rpunk thöhe des Aggreg ats steht mitt-
lerweile im Regelbuch. Sie muss mindestens 165 mm betragen. In der Zeit davor war die
Verteilung der Masse ein erklärtes Entwicklungsziel des Motortea ms. Im oberen Bereich
des Motors sollte möglichst wenig MlISSC vorhanden sein, am unteren Ende war es insofern
egal, als dass in dem Bereich be reits Balla stm assen im Fahrzeug platziert werde n.
Die Alu miniu m- Kolbe n laufen in uik asilbcschichtctcn Aluminiu m-Laufbuchse n.
Die effektive n Mitteldr ücke bei Nennleistu ng liegen bei ca. 13.4 bar u nd beim maximalen
Moment bei ca. 15 bar. Der Verbrennungsd ruck erreicht seine Spitze von 100 bar etwa S °KW
nach dem ZÜnd-OT. Bei konventionellen Pleuelverhältnissen liegt der ideale Wert bei ca. Ir
bis 150
nach ZÜnd-OT. Der Druckverlauf der Verbrennung weist über dem Kurbelwinkel
extreme stochastische Schwankungen auf.
Die Vent ile werden 15 bis 17 nun weit geöffnet. Die großen Hübe im Zusammenspiel
mit den hohen erforderlichen Ventilbeschleunigungen werde n durch die Kombination von
Schlepphebeln m it Tassen stöß eln erreicht.
Die Verd ichtung bet rägt statisch 13,4 bis 13.S : I. Bei hohen Dreh zahlen erhöht sich diese r
Wert auf ca. 15:1durch die Summe von elastischer Deformation der Kurbelwelle, des Pleu-
els usw. und durch Aufbrauchen der Lagerspiele. Das führt zu einem knapp bemessenen
Brennraum.
Das Drosselorgan wird nicht direkt mechanisch. sondern wie bei modernen Pkw-Antrie-
ben üb e r einen E- Gas-S teller angeste uert .
Im Schmiersystem befinden sich etw a 10 I Öl im Umlauf. wobei die gesamte Ölmenge
alle 15 s vollständig umgewä lzt wird [L03].
Als die Anzahl der Motoren für die Teams vom Reglement noch unbeschränkt war, war
eine Überh olung ca. alle 400 km üblich. Tauschintervalle von a nderen Einzelteilen waren:
Ventile SOO km . Pleuel 1200 km . Zylinde rköpfe 2500 km: Zylinderblock. Kurb elwelle und
Nockenwelle 3500 km IL14]. Durch die Ände rung des Reglements für 2004 wurde das
Überholu ngsintervall auf ca . SOO km angehoben. Eine erneute Ä nde ru ng verlangte ab 2005,
dass die Motore n zwei Rennwoc henenden also ca. 1500 km Rennbetrieb ertragen.
Kolben, Kolbenringe und Lager werden prinzipiell beijeder Revision ausgetauscht.
Der eingesetzte Kraftstoff ents pricht im Sinne des Reglements praktisch Supe rkra ftst off
von de r Tank stel le ( ROZ 102).
Bild L-131 zeigt den Schnitt eines typischen Formc1-I -Saugmotors. Es ist zwar noch ein
lü-Zylindcr-Motor. aber im Gru nde ist kein Unterschied zu den derzeitigen vx-Mororcn.
Die Zylinde reinheiten sind j a sog ar gleich geblieben. weil der Hubraum eb enso ents pre-
chend der Zylinderzahl von 3 aufl.4 I red uzier t wurde . Aus de m zyli ndc rförmigcn Kurb el-
raum saugt eine Geroterpumpe das Öl-Luftgemiseh ab und führt es der Zentrifuge zu (links
unten) . Die Kurbelwelle hat eine n ext rem geri ngen Hub von 41.4 mm und Schwermetall-
L
L Rennmotoren
Bild L-131 Forrnel-t 3-1-VlO-Moto r (Ferrarl Typ 049).
90" V-Mo tor, Leistung 610 kW bei 17500 rrnrr-' . Drehmoment 350 Nm bei 15500 rmn- t .
stopfen in den Gegengewich ten. Die niedrigen Kolben laufe n in nassen Buchsen m it große r
Bohrun g (96 mm ) und wer de n von u nt en mit mehreren Kolbensprit zdüse n pro Zylinder
gekühlt. Die Kühlflüssigke it wird über den V-Rau m verteilt und mittel s gezicltcr Boh ru ngen
kritischen Stel le n im Zylinde rkopf (Zündke rze nsitz, Auslas s ve ntils itzringe ) zugeführt . Der
Wasse rma lltel de s Kopfes ist zweiteilig und hält so die Küh lflüssigkeit zunächst in Brenn -
raurn nä hc. Die vie r Ventile pro Zylin der werden übe r p ne umat ische Ventilfede rn an d en
Schwing hcbcl n gehalten (im Bild linker Zylinderk opf). Der Druck in de n Federkam mern
wird über Einsch raubventile gesteuert (im Bild rechter Zylinderk opf). Das Schmieröl läuft
über auße n liege nde Rohre (im Sch nitt nicht zu sehen) in seitliche Längskanäle des Kurbel-
gehäuses zurück. Die Länge des Saugrohre s ist über verstellbare Saugt richte r variabel. Dies
ist m itt ler we ile vom Reglement nicht mehr gestattet. Die Einspr itzven tile s ind außer hal b
der A nsaugtrichter angeordnet. Die Steue rung des Motors erfolgt über eine Drosselklap -
pe. Die Ansa ugtrichter befinden sich innerhalb einer gemeinsa men Airbox. de ren Unterteil
im Sch nitt dargestellt ist. Am Kurbelgehäuse sind auch Ölkan älc angego sse n (z. B. rechts
auße n unter de m Wasserkanal zu erkennen).
Le :\Ians. Für das berühmte 24-Stunden-Rennen gilt dasselbe Regleme nt wie in der ameri-
kanischen A LMS (A mer ican Le Man s Series) . Bei freige stellter Zylin derza hl d ü rfen Saug-
630 I
7 Beispiel e von Moto ren
motoren maximal sechs und Turbomotoren höchstens vier Liter Hubra um aufweisen. Als
Kraftstoff ist fü r Ott omo to re n einheitlich Euros uper ( ROZ 98) vorgese hen. In Abh ä ngigke it
von Fah rzeuggewichtsk lassen (675 und 900 kg). Hubvolumen und Auffadeve rfahren so rge n
Luftmcngcnbcgrcnzcr mit besti mmten Durchmessern und vorgeschriebene Laded rücke für
a nnä hern de Cha ncengleichheit.
Beispielhaft filr die nach diesem Reglement entsta nde nen Triebwer ke sei das des äuße rst
er folgreiche n Audi R8 herau sg eg riffen . Dieses LMP-900-Fah rzeug wird von einem V8-
Motor mit 3,6 I und 4 Ventilen pro Zylinde r anget rieben. Mit den Zylinde rabmess unge n von
85 mm Bohru ng und 79,3 mm Hub ist er ein sanfter Kurzhuber. Die Verdichter der beiden
Tur bola de r sa uge n die Luft übe r je einen Luftmenge nbeg renzer von 30.7 mm Du rch mes-
ser an und dürfen die Luft auf max. 1.67 bar verdichten. Trotzdem liegt die Verdichtung
mit 12.2 : I relativ hoch. Der Motor erreicht seine Maximalleistung von 405 kW bei eine r
Drehzahl wie ein Großserienmotor. Als höchstes Drehmom ent wird 700 Nm angegeben .
Das nutzbare Drehzahlband liegt zwischen 3500 und 7800 min-I. Die Maximaldrehzahl
Iicgt somit vergle ichsweise nieder und unterstreicht ihre n Einfluss auf die Haltbarkeit eines
Motors. Ein Lc-Mans-Rcn ncn allein geht je nach Witterung ct.... -a über 5100 km. Dazu kom-
men noch Training und Qualifying, so dass manche Motoren über 1000(J Rennkilometer
zur ückgelegt haben.
Der Zylinderblock weist einen Bankwinkel von 900 auf und beste ht wie die beide n iden-
tischen (!) Zylinde rköpfe aus Alumini um. Die mit drei Ringen bestückten Kolbcn laufen auf
einer nikusilbcschichtctcn Lauffläch e direkt im Kurbelgehäuse (Intcg ralb uchs c). Die Kur-
belwe lle weist 1800 Hubzapfenve rsatz aurt.Jlachc Welle") . De r inte rn e Massen ausgle ich ist
allerdings so gut, dass Schwingu ngen du rch Massen kräfte zweiter Ordnung nicht wie bei
dieser Ba ufo rm sonst üblich motorsc hädigend sind.
Die Stärke n dieses Langstreckentriebwerks liegen in der g uten Fah rbark eit und im gerin-
gen Kraftstoffverbrauch (unte r 50 I/WO km). An beiden ist die eing esetzte Benzindirektein-
spritzu ng (FSI) nicht unerheblich betei ligt.
Weiters s ind viele Fu nkt ionen in d ie g roße n Gussteile Zylinde rblock u nd -ko pf inrcg ric rt.
Dam it fallen viele Schwachs tellen wie außenliegende ÖI- und Wasserleitungen samt den
e rforderlichen Verbind u nge n weg.
Die Gesamtmasse bet rägt mitsamt Nebenaggregaten und Turbolade rn 175 kg und zeigt
so m it ebenfalls. dass Zuverlässigkeit ganz oben im Laste nheft bei der Entwicklung st and .
Seit 2004 dürfen auch Diesel motoren in der Klasse LMP I antreten. 2006 konnte erst mals
ein Fahrzeug mit Dieselmotor den Gesa mtsieg erringen: Audi RIO angetrieben von einem
VI2 T01 Dieselm otor. Der Motor schöpft das maximal zulässige Hubvolumen mit5,5 Iaus.
Der Zylinde rblock beste ht in seiner Grundstruktur aus Aluminium mit 90° Bankwi nkel.
Vier Ventile p ro Zylinde r werden übe r z wei oben liegende Nocke nwel len und Schraube n-
federn betä tigt. Der Dieselkraftstoff wi rd über ei n Co m mo n-Rail-System mit ca. 2000 bar
ei ngespritzt. Zwei Turbolader mit je einem Luftmcngcnbcgrcnzcr mit 39.9 mm Du rchm es-
ser am Verdichtereintritt fördern die Verbrennungsluft. Der Laded ruck ist vom Reglement
auf 2,94 bar begrenzt.
Die Höchstleist ung wird mit 480 kW zw ischen 4500 und 5500 min -! erreicht und das
ma x. Drehmome nt mit 1100 Nm. Das gefah rene Drehzahlband liegt zwischen 30(J0 und 50nO
min-I. Der Motor gibt allerdings praktisch ab Leerlaufdrehzahl brauchbares Moment ab.
Der Motor wird mit Partikelfilter bet riebe n und stößt auch im Ren nbetrieb keinen sicht-
baren Rauch aus.
L
L Rennmotoren
World Ra lly Car (WRC). Das Regleme nt ist im Vergleich z u a ndere n relat iv freizüg ig.
Die Fahrzeuge fahren mit Turbo- und Saugmotoren mit einer maximalen Zylinderzahl von
acht. Ocr Hubra um von Sauger n darf mit zwei Ventilen pro Zylinder 3 I und mit vier Ven-
t ilen 2,5 I nicht überschrei ten. Ist das Trie bwerk a ufgeladen liegt die Hubra umobergre nze
bei 2,5 I und die Leistu ng wird mit eine m Rcstriktor am Verdichtereintr itt limitiert. Der
luft strombegrenzende Innendurchmesser beträgt bei Ottomotoren 34 mm und bei Diesel-
triebwerken 35 mrn.
Übliche Motorkonfigu rat ionen bestehen a us eine m Reihenvierzylinder. de r mit 3,5 bar
aufgeladen wird. Ein auto matisc hes Umluftsyste m häll de n Ludedruck mit einem elek-
tr ischen Kompres sor auc h bei geschlosse ner Drosselklappe aufrecht und verbessert so die
Dynam ik de r Gasannah me (Bang-Ba ng-System ). Die Maximalleist ung von 220 kW wi rd bei
5500 min- t abgegeben. Das höchste Drehmoment beträgt 480 Nm und wird bei 4000 min-t
freigesetzt.
NASCAR. Für NASCAR·F~ hrzeuge komme n Vx-Sa ug moto rcn z um Einsatz , deren wese nt-
lichen Gru ndba uteile a us der Serienproduktio n sta m men sollen . Pro Ren nen (in kl. Trai -
ning und Qu alifyi ng}darf nur ein Motor eingese tzt werden. Bei einem Hubrau m von 5,86
I erreic hen die Motore n e ine Leistu ng von 645 kW. Die Drehza hle n liege n je nach Strecke
und Rcstrik ror (der auf ma nchen St recken ve rlangt und zwischen Vergaser und Sa ugrohr
eingebaut wird) zw ischen 4500 und 9500 min -I
.
Das Maxima lmoment von 745 Nm wird bei
7200 min -t erre icht. Die Zylinderk öpfe beste hen au s ei ner Alu miniu mlegierung . Die zwei
Venti le pro Zylinder we rden über eine unten liegende Nockenwelle und Stoßs ta nge n sowie
Kipphebel betät igt. Das Schließen der Ventile übern ehm en Sta hlfeder n. Andere Fede ra rt en
sind nicht e rlaubt. Die Ge misc hbild ung übe rn imm t ei n vicrfachvcrgasc r, de r mit unvcr b-
lcitc m Krafts toff mit 110 Oktan versorgt wird. Der Zylinderb lock besteht au s Gra uguss. Er
hat die in Nordamerika k lassische Baufor m mit ei ner mitt ig im V-Raum liege nden Nocken-
welle (so gena nnter small block bei 5.8 I Hubra um ). Die Laufb ahn des Al uminiu mkolbe ns
stellt de r Block selbst dar. Die Kur bel welle weis t den für Pkw typische n 90 " Hubzapfe nver-
satz auf Die Verdichtu ng ist vom Reglement auf 12: I limitiert. Die Moto ren werden au f
eine Lebensdauer von einem Rennen. das sind ca. 1300 km. ausgelegt.
Ind y-C ar (IRL ). Die Kon ze ptp a ram ete r sind vom Regle men t dieser a me rikanischen Renn-
serie f ür die Moto renkonst ruk teure stark eingesc hr änkt. Die Idee dahin ter ist e in fort-
schri ttlicher. a ber koste ngü nstiger Mot or. Es muss ein 90"-V8-Saug moto r mit max . 3,5 I
Hubraum sein (bis 2000: 4 I). Die Bohrung muss 93 mm betragen. Die Motoren weisen
eine ..flache" Kurbelwelle auf. fahr en also mit 180" Zapfenve rsatz . Die trocke ne Motor-
masse mus s mi ndeste ns 128 kg oh ne Kühle r. Kupplung. Motorsteue rge rät. Zündbox und
Filter betrage n. Die erlaubte Maxi maldrehzahl von 10300 mln -' wird vom einheitlichen
Drchzahfbcgrcnzcr so strikt eingeh alten. dass die Teams einen eige nen. sa nfte r wirkenden
vorsc halten. Der offiz ielle IRl.-Bcg rcnzcr sc halte t nämlich ei nfach bei Erreic hen des Limits
die Zündung vollständig ab und der Motor geht a uge nblicklic h in den Schie bebetrieb über.
Der Eigenbau- Begrenzer schaltet im Gegensatz dazu beim A nnähern an die Drehzahlgren-
ze einzelne Zylinder ab und er möglicht so de m Fahrer sich mit modulierter Motorleistu ng
an die Gren ze heranzutaste n.
Die Verbren nungsl uft e r reicht übe r vier Ventile pro Zylinde r. d ie über zw ei obenliegende
Nockenwellen betä tigt werden . den Brennra um. Die Ventilfede rn müssen aus Meta l sein.
7 Beispiel e von Moto ren
Als Kraflstoff kom mt Methanol schon seit den 1960er Jahre n aus Sicherheitsg ründen (ein-
faches Löschen) zum Einsatz. Er wird elektronisch geste uert eingespritzt. Die Leistu ng liegt
bei 485 kW. die bei der erlaubten Höchstdrehzahl erreicht wird. Die hohe Verdichtung von
15: I wird du rch den Alkoholk rafts toff mäg lieh. Kur belgehäuse und Zylinde rköpfe beste-
hen aus A lumi niumlegier ungen. Die Kolben bewegen s ich in troc kenen Gr auguss buchse n.
Es wird auf Ovalkursen gefahren und die Durchschnittsgeschwindigkeit liegt mit ca.
355 km /h entsprechend hoch.
L
1633
M
Antriebsstrang
Drive line
Dcr Antr iebsstrang stellt die Kräfte an den Rädern zum Überwinden der Fahrwiderstände
bereit. Zum A ntriebsstrang gehör t damit auch der Motor. Diesem ist jedoch ein eigenes
Kapitel gew idmet und deshalb soll der A ntriebsstrang f ür d ie folgende n Betrac htungen ers t
beim Moto rausga ng begin nen.
1635
MAnt riebsstrang
1 Funktion Function
Der A ntriebsstrang hat folgende Funktionen zu erfüllen. Das vom Motor zu r Verfügung
gestel lte Ant riebsmoment mu ss z u den Räde rn m it möglic hst ge ringe n Verlus ten weiterge-
leitet werden . Bei Längseinbau des Motors wird auch noch eine Umlc nkung des Momenten-
flusses um 90" er forder lich . Wird mehr als eine Achse angetr ieben . muss d ie Moto rleistung
ents prechend a ufmeh rere Achsen a ufgeteilt werde n.
Eine weite re offensic htliche (abe r trotzdem in de r Konzeptphase be achte nswer te ) Fun k-
tion ist die, dass das Fahrzeug nach vorne fah rt. Die Dreh richtu ng des Motors ist nämlich
genormt und die meisten Hersteller halten sich an den üblichen Drehsinn. nämlich gegen
den Uh rzeige rsin n bei Blick aufd ie Kra ftabgabeseite. Je nac h Lage von Motor u nd Getriebe
im Fahrze ug sowie Art der Übertragu ng (Kelte. Zahnrad ....) muss bei Längseinbau des
Motors d as Tellerrad links oder re chts vorn An triebskegelrad s itze n. Bild '\ 1· 1.
Eine Gesamtsystemübersicht übe r d e n A ntr iebsst rang liefe rt Bi ld ,\1·2 . Ein A nfa h rele-
ment so rgt für den Übergang zw ischen Fahrzeugst illstand und Fahrt bei laufe ndem Ver-
brennungsmotor. (Bei einem Elektromotor entfallt dieses Element). Das vom Moto r bereit-
gestellte Mom ent wird im Getriebe an die Fah rgeschwindigkeit und da mit an die Fahrwi-
de rstä nde a ngep asst. Ein Verteilergetriebe teilt die Le ist u ng auf vorder- und Hinter achse
au f. Bei einem rein en Front- oder Hinte rra da ntrie b entfallt das Verteilergetriebe. A nsc hlie-
ßen d so rgt d as Achsge triebe fü r e ine Umle nk ung des Momente n flusses bz w. stellt noch eine
~t'i" t""g
Bil d M -1 Antriebss trang bei Mittelmo toranordnung drive uoe with central engine.
1 Kuppl ung (teilweise geschnitten da rgestellt) cluteh
2 Getriebestu fe des Schaltgetr iebes meshing gears ef mechanical gearbox
3 Tellerrad Achsge triebe crewn wtIeef final drive
4 Seitenwelle zum linken Hinterrad axle shaft to left hand rear wheel
Die Pfeile zeigen die Drehrichtung des Motors. der Wellen und Zahnräde r bei vorwärtsrann.
Verbr ennungsmotor
i Kupplun ll i
~)
Eingangswell e, Schalt -
muffen, Vorgel egewell e,
Hauptwe lle
Vert eiler .
lletriebe
1 Funktion
Achsget ri ebe
mit Diffe renzial
M
10000 ~
0000 ,
Antrieb
,/
"
Anfahr - [
e l eme nt ~ Schaltgetriebe
Endan -
t rieb
Bild M -2 Funktionsschaubild des Antr iebsstrangs.
Drehzahlanpassung her und im Differenzial wird die Leistung auf die beiden Räder einer
Achse so aufgeteilt . da ss die se unters chiedliche Dreh zahlen haben können .
Die Hauptfunktionen und mögliche Prinzipien zu ihre r Darstell ung fasst Tab elle 1\1-1 in
einem morphologischen Kasten zusammen.
Ta b. M-1 Lösungsprinzipien für die Hauptfunktionen des Antr iebsstrangs nach IMll]
~pr inzip
Haupthmllio
Anfah ren ermög -
lichen
Übersetzen /
Drehzahl veränd ern
Schal ten /
Leistungsfl uss
herste llen
Betätigen /
Steuern d es
Getr iebes
1
mechanisch
trocken
Stirnräder
tcrrnscnlüs-
sige Sch ie-
beräde r
Handschal -
tung
2
mechanisch
nass
Planetenräde r
formschlüss ige
Schalt klaue
synchron isiert
Handscha ltung
servo unter-
stützt
3
elektro-
me chanisch
hydrod yna-
m isch
formschlüs-
sige Schalt-
klaue unsyn-
ctuorueert
t eilautom a-
tisch
4
hydro-
dynamisc h
hydrostatisch
kraftschlüssig
Lamellenkupp -
lung
automa tisch
hydraulisch
5
hydro-
statisch
mechanisch
st ufenlos
kraftschlüs-
sig
Lamellen-
bremse
automatisch
elektro hy-
draulisch
Achsantrieb
Stirnrad
Hypoidkeg elrad Spira lkegelrad Schnec kenrad
Kelle
Drehzahlaus-
gleich der beiden
Seitenwellen bei
Kur venfahr t
Sperrmögl ichkeit
fü r Differenzial
Kegelrad-
differenzial
ungesperrt
Stirnradd if-
ferenzial in
Planete nbau-
we ise
selbsts perrend
Schnec ken-
radd if ferenzial
automatisiert
sperrbar
kein Dreh-
zahla usgleich
manuell
sperrbar
MAnt riebsstrang
In de n Zeilen sind die Hauptfunktionen und in den Spalten einige denkbare Lösungsmög-
lichkeiten angefüh rt. Durch die Kombination de r Lösungsprinzipien zu ei nem vollständig
arbeitenden Antriebsstrang erhält man alle daraus möglichen Bauarten. Natürlich sind nicht
alle in der Praxis umgesetzt . etwa weil sie nicht sinnvoll sind.
Der Antriebsstrang umfasst als o im Allgemeinen folgende Baugruppen. d ie z u sein er Funk-
tionscrfülhm g wichtig sind:
Kupplung: als A nfahreleme nt und zum Unterbrechen des Mom entenflusses.
(Schalt-)Gctricbc: zum Anpassen der Motorcharakteristik an den Beda rf des Fahrzeugs.
Achsantrieb. zum Übertragen des du rch das Getriebe angepassten Motor moments an die
Räder. teilweise zusätzlich Umlenken des Leistungsflusses um 90°,
Ausgleichsgetriebe: ermöglicht auch bei hohen Reibwerten der Reifen eine enge Kurve
mit geringen Leistungsverlusten zu durchfahren,
Wellen : zum Leiten des Drehmo ments zw ischen den genannten Baugruppen.
Abgesehen von Überleg unge n bet reffend die Achslastaufteilung und die Trägheitsmomente
des Fahrzeugs können beim grundsätzlichen Anordnen de r erforderlichen Baugruppen des
Ant riebs auch Überlegu ngen aus Sicht des Wirku ngsgra ds di enlich sei n. Wie Immer. wenn
die Fahrleistu nge n hoch sein sollen. wi rd man dan ach trachten die Verluste möglichst klein
z u halten. Tabelle :\1-2 gibt einen Überblick über Wirk ungsgrade von Bauelementen im
Antriebsstrang.
Tab . M · 2 Anhaltswerte für Wirkungsgradbereic he von Getrieben. [M11] und [M09].
Getrieb eart
Wirk ungsgrad '/ [%]
Zahnradpaar
Stirnrad
99.0 -99.8
Kegelrad
90-93
Laschenkette
95-99
Schnec kengetriebe
30-98
Zahnriemen
95-99
92-97
90-97
Pkw
Nutzfahrzeug
Mechanisches Schaltgetriebe
mit Tauchschmieru ng
------------------------
Stufen-Automatg etriebe mit Wand ler und Überbrüc kungsk upplung
90-95
Mecha nische
Stu fenlosgetriebe
Anpress dru ck nicht leistungsb edarfg eregelt
Anp resse reck leistung sbedarf geregelt
70-80
80-86
Man erkennt. da ss ein Zahn radpaar die effizienteste Lösung ist ein Drehmoment zu wan -
deln. Nebenbei bemerkt spre chen auch de r geringe Bauaufwand und de r große Überset-
zu ngsbcrcich für Zahnräder. Demen tsprechend sind auch Fahrzeuggetriebe auf Basis von
Zah nrädern die beste Wahl. wenn Wirkung sgrad und Leistungsdichte entscheidende Kri-
terien sind. Beispielhaft zeigt Bild :\1-3 die Aufteilung der Verluste eine s Schaltget riebes
über der Dreh za hl.
638 1
~3
,
-
•~
~a
-
•
•"~
2000
30 00
4000
Get riebeeingangsdrehzahl n.
--
r
L
~SynChrOn1S1 erUng
B10ichtung
oLager
_~ ~Schmier ung
_~ []]verzahnU ng
6000
1 Funkt ion
M
Bild M - 3 Aufteilung und Größe der Verlustleistung eines Schattqetnebes. nach [M05].
Das Getriebe ist ein zweistufiges (Koaxiales) 5-Gangget riebe m it manueller Scha ltung. Die Messung
bezieht sich auf den 4. (direKten) Gang bei maximalem Motormoment. Die Getriebeöltemperatur beträgt
80 QC.
Man erkennt, dass die größten Verbraucher neben der erwa rteten Verzahnung die Schmie-
run g und die Lage r sind , Es macht sich also beza hlt das gesa mte Schmie rsystem beim Ent-
w urf genau zu betrac hten . Zu große Ölmenge n sind ebenso schlecht wie Mangelsehrnie-
ru ng. Dichtungen, wie sie bei Wellendurchtritten benötigt werden. bergen vor allem bei
hohe n Drehzahl en Potential Reibung zu senken . Synchro nisicrcin nc htungcn sind ebenfa lls
fü r Verluste verantw or tlich und finden sich nicht zuletzt aus dem Gru nd bei Renngetr ieben
übe rhaupt nicht.
Unterschiedliche A ntr iebskonzep te führen pr inz ipbed ingt zu untersch iedlichen Wir-
ku ngsgradc n. Rild i\I-4 .
Beim Standardantrieb (d. h. Motor vorne und Antrieb hinten) mit Koaxialget riebe
ergibt sich im di rekten Gang ein Gesamt wirkungsgrad. der praktisch nur vom Achsantrieb
abhängt (a) . Bei allen anderen Gänge n sieht d ie Bilanz im Getriebe sch lechter aus, weil
durch die Vorgelegebauweise immer zwei Zahneingriffe im Get riebe erforderlich sind um
das Moment zu übersetze n (b). Günstiger sind diesbezüglich einst ufige Get riebe, wie sie
bei vielen Rennfahrzeugen mit Mittel motor zum Einsatz komm en (e). Bei allen Gängen ist
immer nur ein Z ahnradpaar zur Übersetzungsänder ung erfo rderlich. Die bes te Bauweise im
Sinne des Wirku ngsg rads stellen typische Pkw-A ntr iebe m it Qu er mot or und Fronta ntr ieb
dar (d). Das Getriebe ist einstufig aufgebaut und de r Achsantrie b besteht aus einer Stirnrad-
st ufe. d ie da s Mom ent wesentlieh vertustärmer übert rägt als jede Kegelverzah nung.
Den Verlauf des Wirk ungsgra ds ei nes A ntr iebsst rangs in Abhängigke it von Einga ngs-
drehmoment und -drehzahl zeigt Bild :\1-5 . Bei sehr niedrigen Eingangsmomenten ist der
Wirkungsg rad schlecht. Bis etwa 2 Nm muss ein Schleppmoment überwu nden werden, erst
dann wird der Wirkungsgrad ungleich Null. Er steigt steil an und ab etwa 25 Nm liegt der
Wirkungsg rad über HO% . Bei weiter steigendem Eingangs moment nimmt der Wirkungs-
grad nur mehr leicht zu. Für den normalen Fahrbetrieb kann er näherungsweise als konstant
angeno m men werden.
M Ant riebsstrang
'1" '- 0, 92:0, 92
'1:0,99 '0 ,99 '0,92=0,90
a
c
1
r
'I'I ~=O, 92
=0 99
b
'1=0, 99'0 ,99=0, 98
;---
.-
;o.--l - .;
I
d
Bild M -4 Wirk ungsgrade von A ntriebsst rängen .
"
Gesamtwirkungsgrad
'IJ Wirkungsgrad eines Zahnradpaars
'10 Wirk ungsgrad des Achsantriebs
a Standardantrieb. direkter Gang
b Sta nd ardan trieb al lgemein
c einst ufiges Lä ngsgetriebe
d Quergetriebe bei Que rmotor
",0
,
-""
,
"
'''''
•§ .0
•
•~
•,0
Bild M-5
Kennfeld des Gesamtwi rkungs-
grads eines Antr iebsst rangs
(Motorausgang bis zu Antriebs -
rädern). nach [M05).
Das Kennfeld gilt fü r den d irekten
4. Gangs eines 5-Gang-Hand-
schaltqetriebes. Als Nebenag-
greg at ist eine Lenkhilfepumpe
be rüc ksichtigt.
2 Kupplung Clutch
Die Kupplung er möglicht eine Trennung des Leistungsflusses zwischen
den Antriebsrä dern und dem Motor. Dazu ist s ie zwischen Motorausga ng
und Getriebeeingang angeordnet.
Kupplungen dienen auch als A nfahrclement und werden dabe i am
stärk sten beansprucht. Stark schlupfende Reifen verlieren rasch an Grip.
wäh rend Kupplu ngen mit Schlupf besser umgehen können. A llerdings
2 Ku pplung
errei cht auch jede schleifende Kupplung früher oder später ihr Temperat urlimit. weswegen
das Schleifen de r Kupplung nicht zu lange da uern darf. Elektronische Steuergeräte können
über ein Anfahrprogramm die Belastu ng der Kupplung gezielt verringern. Das bedeutet,
dass rein mit dem Fahre rgefühl vom Fuß betätigte Kupplungen wesentlich stärker dimen -
sioniert werden mü ssen. Es gibt auch Kupplungen, d ie praktisch nur als Tren neleme nt im
Ant riebsstrang ei ngeset zt werden. Das A nfahren erfolgt dabei durch einen Knallstart. d . h .
die Antriebsräder übernehmen die Funktion des Drchzahlwandcln s. Bild 1\1-6 zeigt ei nen
ideali siert en A nfahrvorgang mit einer Reibungskupplung. Der Verbrennu ngsmotor ben ötigt
eine gew isse Mindestdrchzahl n M,min' damit er ein Drehmoment abgeben kann. Das Fahr-
zeug steht zunächst und somit ist au ch die Drehzahl nG,l der Getri ebeein gangswelle gleich
null. Die Kupplung hat nun die Aufgabe diese beiden Drehzahlen anzugleiche n, ohne dass
dad urch die minimale Motordr ehzahl untersch ritten wird. Diese Aufgabe erfüllt alle rdings
nicht die Kupplung allein e. sondern der Fahrerbzw. ein Startprogramm regeln die Motorlast
en tsp rechend mit.
M
IUlgu uppelt
/
/
/
/
/ Aunc~lIit
1Kupplungs
p hln
Bild M-6
Idealisierter A nfahrvorgang mit einer
Reibung skuppl ung.
Beim Anfah ren glei chen sich die Drehzahlen
von Mot or und Rädern an, wobei die minimale
Motor dr ehzahl n M.mln zu keiner Zeit untersehnt-
ten w erd en darf,
nM
Motordr ehzahl
n M,mon rninirnale Motor dr ehzahl
n G.l Drehzahl der Getriebeeinga ngswelle
Während der Drehzahlanpassung rutscht die Kupp lung und dab ei wird ein Teil der Ein-
gangsleist ung als Verlust leistu ng in Wär me umgesetzt. Der Wirk ungsgrad de r Kupplung
ergibt sich somit zu:
'h l Wirku ngsgrad der Kuppl ung l- l
PI Eingangsleistung lkW]
P2 Aus gan gsleist un g lkW]
All Einga ngsmom ent [Nm]
M2 Ausgangsmoment [Nm]
n M Motordrehzahl [min -I]
nG,1 Drehzahl der Getriebeeing angswelle [min- I]
2.1 Kupplungsbauarten Typ es of clutehes
Von den denkbaren Prin zipien für Schaltk upplunge n haben sich die Reib ung sku pplun gen
im Fahrzeugbau durchgesetzt. Dabei wird das Motorm oment über Scheiben, die aneinan-
dergepresst werden. übertragen. Je nach Anzahl de r Scheiben und Art der Wärmeabfuhr
MAnt riebs str ang
"=2
a
Bild M -7 Schalt bare Reibungs kupplungen shitt (rierion clutch .
a Einscheibenkupplung single-plate clufCh
b Mehrscheibenkupplung multi-p lare clutch
Die Kuppl ungsscheibe{n) werden übe r Federn an das Schwung rad gedrüc kt und übert ragen so das
Motormoment.
teilen sich die Bauarten in Ein- und Mehrscheibenkupplungen bzw. Trocken- und Nass-
kupplungen. Im Rennsport werden häufig trockenlaufende Kupplunge n mit möglichst wenig
Scheiben eingesetzt. Bild :\1·7 zeigt das Arb eitsprinz ip von Reibungskupplungen.
Zum Trennen der Kupplung wird die Anprcsskraft vom Ausrücker überwund en und die
Kupplu ngsscheibe n laufen unabh ängig vom Schw ungrad.
Trockenkupplung Pk w slng ie -plate clutch , Reibun gskoeffizien t z wisc he n Bel ag u nd Reib -
fläche: 0,3 - 0 .45. Haft- und Gleitreibung sind praktisch gleich. Bei Fading fallt der Wert au f
ca. 0,2 ab.
Belagpressung max. 20 N/em2.
w ärmestromdichte. 0,3 bis 3 w/m m' [M22].
xt ehrschetb en La mellenkupplung tnulti-plate clutch. Haftreibu ngskoeffizient zw ische n
Belag und Reibfläche: nass: 0,1 - 0,2, trocken: 0,3-0,5.
Bclagprcssung: nass : mux. 5 N/em2, troc ken: max. 20 N/em2.
Kohlefaserkupplung carhon clutch. Im Prinzip ist diese Bauart nur eine Weiterentwick-
lung einer Scheibenkupplung. lm Besonderen ist der Namensgeber der Werkstoff der
Kupplungsscheiben und der Zwisc henplatten. Die Abmess ungen von Formel-I -Kupplungen
haben sich du rch ständige Weiterentw icklu ng trotz größerer Motormomente im Laufe de r
Jah re verr ingert: Die Kupplungen übertragen über 600 Nm. trotzdem sa nk der Kupplu ngs-
korbd urchmesser von \75 mm (ca. 1990) auf 11 1 mm (1001) [M04]. Dabei wurde das Aus-
rückprinzip auf Ziehen statt Drücken geändert. Der Kupplungsko rb besteht aus Titan und
die Kupplungsscheiben bestehen wie die Zwischenplatten aus einem kohlefaser verstärkten
Kunststoff. Damit wurde die Masse der Kupplu ng von lRO(J g auf 1060 g (mit Schwung rad)
verr ingert. Diese Werk stoffkombinat ion ka nn auch Temperaturen um \000 "C er trage n. Die
Lebensdauer solcher Kupplungen liegt im Bere ich von 2000 km .
2
3 ______
4
~
8
2 Kupplung
Bild M-8
Mehrsch eibenkupplung Form el 1.
Die Kupp lung besteht aus drei Kupp lungssche iben (3) und
vier Zw ischenp latten (2) aus kohlefaser verst ärkte m Kunst -
stoff . Für d ie Verspan nung sorgen zwei Membranfedern (7).
Sie wird gezogen ausgerü ckt und we ist einen Korbdurch -
m esser von 111 m m auf. In der sch attier ten Dar stellu ng ist
zur Übersicht jeweils nur ein gleichnamiges Ele me nt dar -
gestellt.
Die Nabe sitzt axial schw immend auf de r Getriebewelle und
w ird durc h Nasen arn Umf a ng von de n Kupp lungssche iben
geha lten ,
1 Kupp lungs ko rb {und Schwungrad }
cluten hous ing (a nd flywhee l)
2 Zwischenplatte int erm edia te plate
3 Kupp lungsscheibe c lutc h atsc
4 Nabe hub
5 Druckring pressure ring
6 Anp ressp latte press ure piate
7 Membranleder diaphragm spring
8 Decke l cover
M
Ant ihopp t ng Kupp lu ng slipperciutch, Bei Motorräd ern exist iert eine interess ante Abwand-
lu ng von La mellen kupplungen. Bild '1 ~9. Der A ntr ieb der Kupplung erfolgt über eine Klau-
enkupplung mit asy m metr ischen Zähnen. Dazu ist die Nabe zweigeteilt . Sie beste ht aus der
eigentlichen Nabe (3). die d ie Kupplungsl amcllen auf nimmt. sow ie dem Nabenflansch (4 ).
der das Moment an die Getriebewelle weiterleitet u nd ei ne Dr uck flache fü r die Lamellen
aufweist. Greift das Moment im Sinne der Vorwärtsfahrt an, überträgt die Kupplung in
..gewohnte r" Weise d as Moment über die Reibung zwischen de n Lamellen. Im Schicbcbc-
trieb. also z. B. beim Anbrcrnscn einer Kurve. kehrt sich die Momentenrichtung um und die
sch rägen Klauen zwisch en Nabe u nd Nabenflansch ( Pfeil im Bildteil c) lüften d ie Kupp-
lung ei n wenig (daher rü hrt auch ei ne weitere eng lische Bezeichn ung : hack torque limiter
-
Schle ppmo mentbegre nzen indem die Nabe (3) den Deckel (6) entgegen de r Federkraft (9)
an hebt. Dadur ch kommt nicht da s vollen Brems moment des Motors auf d ie A nt riebsruder.
MAnt riebsstrang
B ild M·9
Antihopp ing Kuppl ung.
a Schnitt
b Ansich t der Kupplungsnabe (3) von unten.
Oie Kugelrampen sind gut zu e rkennen .
c A xonornetrrscne Darste llung de r Kupplung
1 Ant riebszahnrad driving goor
2 Ku ppl un gskorb cluten housing
3 Kupplungsnab e cluten hub
4 Nabenllansch hub flange
5 Lamellenpaket ancs 8ssembly
6 Kupplungsdeckel cluten cover
7 Einstellring adjusting snim
8 Federteller sprin g ccser
9 Feder spring
10 Ausrückwe lle actualing sre tt
die sonst bei konventionellen Kupplungen zum Block ier en neigen. Über die Dicke eines
Einstellrings (7) kann der Lüftwcg des Deckels ei ngest ellt werden. Die Wirkung der Anti-
hcp pi ng Kupplung verh ind ert so da s " Stem peln" de s Antri ebsrads. Diese s Stempel n wird
besonders beim Herun terschalten bei hohen Dreh zahlen durch die übersetz ungsbe- dingt
überproport ion al g roße Massent rägheit des Motors und das Entlasten des Hinterrads her-
vorgerufen. Antihopping Kupplungen werden gerne auch in leichten zwe ispurigen Renn-
fahrzeugen einges etzt. die von einem Motorrad motor angetr iebe n werden. Die Wirk ung ist
in de m Fall jedoch eher auf ein Vermeiden von Motorüberdr ehen beim Her unterschalten
und Bauteilschutz der Get riebeeingangsteile (Primärtricb und dessen Lagerung) zu sehen.
Motorradmotoren haben ihr Schaltget riebe meist integriert und diese sind eben nur füreinen
Antriebsreife n und eine geringere Fahrzeugmasse ausgelegt. Wird ein Motorradm otor nun
in einem zweispurigen Renn fahrzeug eingesetzt. kommt das eingebaute Get riebeja ebenso
z um Einsatz. Die höhere Fahrzeug mas se und die zwei Reifen bew irken wesentlic h größere
Umfangskräfte und Stöße. für die da s Getriebe nicht konzipiert ist. Seine Lebensdauer wird
also geringer als im Motorrad ausfalle n, dafür ist seine Masse und die umlaufenden Massen
geringer als bei einem vergleichbaren separate n G etriebe.
6441
2 Kupplung M
v tembra n rede r k upp lung di ophragm-spring chnch, Als Anprcss fcdcr filr die Kupplungs-
sche ibe n bietet sich bei zy linderfö rmigen Kupp lunge n eine Telle rfede r (Mcrnbra nfcdcr) a n.
Diese be aufschlagt d ie Anprcss plartc vorteilhaft am gesa mten Umfang mit ihrer Anprcss-
kraft und benötigt kaum axialen Bauraum. Zum Ausrücken wird die Membranfeder durch
Flachd rücken entspann t. Im Vergleich dazu wird bei Schra ubend ruckfedern die Kraft beim
Ausrücken imme r grö ßer. Zusätzlich kom mt der Nachtei l hinz u. dass bei ve rgleichsweise
geringerem Verschleiß die Mindcstanprcsskraft unterschritten wird. Bild I\I·IO.
Deshalb werden bei Pkw und a uch im Moto rspor t gerne Memb ra nfede rkup plunge n ein-
gesetzt.
.ax .verechle18
•
.'
.,'
,--- ..... ;
a
Bild M·10
Verg leich Schra uben- mit
Membranleder.
a Membranfeder
b Schraubenfeder
Für das Übertragen des gefor-
derten Mindestmoments ist eine
Mindestanpresskraft erfo rder-
lich. Diese w ird du rch Verschleiß.
also Dickenabnahme von Belag
und Kupp lungsscheibe. geringer .
Be i der linearen Schrauben fede r
ist so bei einem geringeren Ver-
sch leiß die Modestenpress krat t
erreicht.
Ux•
o Neuzustand
Ver·
schlen
AusrÜ ckweg
.'
.."
.'
.'
..'
....
.'
.'
.... b
..'
..'
.'
.'
o
Mindest -
anpr-esskr-af t
/
5
1 Kurbe lgehäuse crankcase
2
L-.
6
2 SChwungrad f1ywheel
3 Kurbe lwe lle crankshaft
7
4 Kupplungsscheibe
8
cluteh aec
5 Getriebe gearbox
6 Kupplungsgloc ke
bell housing
7 Ausrückring releas e ring
8 Führungsroh r gulde pipe
9
9 Getriebewelle prlmary shaft
10 Membranfeder
diaphragm spring
11 Kucplunqskc rb dutch cover
10 ' 2 Anpressptatte
4
11
pressure plare
----------
a Ausrückweg release travei
'2
v Verschleißweg wear trave l
Bild M - 11 Ano rdnung einer Membranfeder-Kupp lung , Schema ,
Die Kupplung befindet sich zwischen Mo tor (1)und Getriebe (5) und scha ltet den Leist ungsfluss zwischen
Kurb elw elle (3) und Getr iebewe lle (g).
MAnt riebs str ang
Konkret sieht die Anordnung einer kompakten Membranfederkupplung wie fotgt aus. Ocr
Kupplungskorb wird über das Schwungrad ode r eine Adapterplatte fest mit der Kurbelwelle
des Moto rs verbunden, während die Kupplungsscheibe(n) formschlüssig (axial verschieb-
lieh. aber drehstcif}mit der Get riebeeingangswelle verb unden ist (sind). Bild 1\1-11.
Die Getriebewelle wird in ei ner Aufnahmebohrung der Kurbelwelle von einem Lage r
ze ntriert . Die Kupplungsscheibe ist auf einer Nabe mit Steckverza hnung oder Keilnaben-
profil montiert. Sie wird von einer Membra nfeder zwischen Anprcssplattc und Schwu ng-
rad einges pan nt. Zum Ausrücken wird der Ausrückri ng gege n die Memb ranfeder ged rückt,
wod urch die A rtpress platte die Kupplungsscheibe freigibt. Wen n die Kupplun gssch cibctn)
verschleißt, wande rt die Artpressplatte in Richtung Schwungrad und de r Ausrückring m uss
die entsprechende Gege nbeweg ung der Membranfeder in die andere Richtung ausgleichen
können. sonst schließt die Kupplung nicht mehr vollständig .
Die Kupplu ngsschcibc m ) muss den Winkcl- und Mittenversat z zwischen Kurbelwelle
und Getriebeeingangswelle und das durch die Kurb elwelle nbiegu ng verurs achte Schwu ng-
radtaumeln ausgleichen können. .....eil es sonst zum Verschleiß der Verzahn ung Nabe/Ger ne-
bcci ngangswcllc kommt.
Befestigu ng mounting. Der Kupplungsko rb wird mit der Kurbelwelle des Motors ver-
schraubt. Dabei kann die Kupplung das Schwung rad be reits enthalten ode r dieses wird als
eigenes Bauteil an die Kurbelwe lle versc hra ubt. Kommt eine Ze ntralschraube z um Einsatz
(Bild M-12a), übern immt eine Steckve rzahnung ode r eine Hirtheerzahnu ng die Übcrt ra-
gung des Dreh moments. Die Getriebewelle wird über ein Lager (6) im Kupplungskorb (4)
ze ntriert. Der Kupplungskorb stellt in de m Fall auch das Schwu ngrad dar. Wird für die
Motors teue rung eine Geberverzahnu ng (Drehzah l- und OT-Geber) gebraucht. so ka nn diese
der Korb ebenfalls gleich entha lten.
Die einfachere Methode stellt eine Verschr aubu ng mit ausreichend vielen Schrauben am
Umfa ng dar (Bild ;\1-12b). Die Zentrierung erfolgt über einen entsprechenden Bund an
der Kurbelwelle und das Drehmoment wird über die von der Vorspa nnkraft der Schrauben
erzeugte Reibung übertr agen. Empfohlen werden Mx-Zylinde rsch rauben mit Qualität min -
destens 10.9 und Scheiben IM04]. Die Ge rriebewelle wird über ein Lager in der Kurbelwelle
ze ntr iert .
12
3
4
Bild M-12
Arten der Kupp lungsbefes -
tigung .
a Zentralschrau be
b Sch rauben am Umfang
1 Kurb elw elle
2 SCh raube
3 Kur belgehäuse
4 Kupplungsllorb
5 Getriebewelle
6 Loslager
7 SChwungrad
a
b
2 Kupplung M
Die Nabe de r Kupplung bzw. einer Kupplungssche ibe sitzt auf der Gerriebewelle . Dabei
iibcrnimmt ein Keil- ode r Zahnp rofil (spiin ed- or serrased -shaft profile) die Zcnt r icr ung
(Inncnzcnrricrungj und die Drehmomentübertrag ung. Die verwendete n Profile sind man -
nigfalt ig und richten sich nach de r Getriebewelle. Es finden sich DlN. SA E und Werks-
norm en. A lle Profile ermöglichen ein leichtes axiales Verschieben der Nabe. Das Keil- bzw.
Zahnwellenprofil muss länger sein als das Nabenprofil. damit die volle trugende Breite in
jedem Fall (Schcibcnvcrschlci ß. Tolcranzcn) sichergestellt ist.
--.
•1
;;1}I·
.'"
-_.
Bil d M- 13 Nabe einer Kupplungsscheibe,
Auf d iese Nabe wi rd d ie Kupp lungsscheibe genietet. Die Nabe weist ein Profil m it 10 Zahne n u nd qera-
den Flanken auf. Das Keilnabenprotil w ird charakte risiert durch folgende Größen:
Innendu rch messe r a. Außendurc hmesser D. Nabendurchmesser D N• be , Anzah l der Zähne .
Wer stoffe. A nprcssplartc n. Zwischenplatte n u nd die Nabe werden aus G raug uss. Stahl.
Aluminium oder Titan gefertigt. Für stehenden Start wird Stahl bevorzugt. Aluminium
ist dab ei da s leichte ste Meta ll. hat ab e r eine ge ringe Temperaturbest änd igkeit. Tita n ha t
ähnliche Eigcnschaftcn wie Stahl bei geringere r Dichte. ist jedoch extre m teuer . Bei Kohle-
Faserku pplungen kön nen auch die Zwisc henplatten aus Karbon sein. Der Kupplungskorb ist
bei allen Ausführungen aus Metall.
2.2 Auswahl der Kupplungsgröße Choice 01clu tc h size
Die Kupplung muss das dur ch dynamische Effekte überhöhte maximale Motormome nt
übert ragen können und bei häufigem Anfah ren die thermische Belastu ng aushalten (For-
melzeich e n s iehe a uch Bild M-7).
Md=kdyn•MM.rnax = Fan ' ,ud.i:rtf.rn
Met
kdyn
M M.rn. x
F"
lid
j
übe rtra gbar es Kupplungsm oment [ Nm]
dynamischer Überhöhungsfaktor l-I . kdyn = ca. 2
max. Motormoment [Nm]
Anpress kraft der Reibbeläge [N]
Reibbeiwert z wischen Belägen und Reibfläch e [- )
Anzahl der Reibflächen l -I . j = 2 bei Einscheibenkupplung
mittle rer Re ibradi us [Oll
MAnt riebs strang
Je höher die Anprcsskraft ist und desto mehr Scheiben verbaut werden , desto größer ist das
übertragbare Kupplungsmoment. Eine große Anprcsskraft bedeutet allerdings auch eine
große Ausr ückk raft zu m Trennen der Kupplung.
·
. ud Fan 1j'"r .Jn ((Je!
IYrr Reible ist un gsdic hte [W/Ol2)
W fr = "''-'-''''-,''''''''''-
Arr
wcl K uppl ungsd rehzahl [s oll
ArT Reibfläche [01 2]
'lcl Wirkungsgra d der Energieumwandlung [-J . 'lcl 0:: 0,8 bis I
"
wä r mest romd ichte [W/Ol2]
Bei der Wahl der Kupplung ist zu nächst das Eingangsmoment. also das maximale Motor-
moment erhöht mit einem dynamischen Faktor. ein Kriterium. Stehen meh rere Kupplungen
für einen Anwend ungsfall zur Verfüg ung kommen weitere Überlegungen hinzu. Bild
;\1-14 . Als Beispiel wird ein Motormoment von 150 Nm bet rachtet. Dafür kommen drei
Kupplungsd urchmesser in Frage. Die Extremfälle haben folgende Vorteile. Die kleinste
Kupplung (Variante I) spart Bau raum. Gewicht und weist ein kleines Massenträgheits-
moment auf. Aueh die Kosten der Kupplung bleiben klein. Dagegen bietet Variante 2, die
große Kupplung. and ere Vorteile. Die Torsionsdämpferkennlinie ist vorte ilhafter, die
Fadingstabilität nimmt ebe nso zu wie die Belaglebensd auer. Die Pedalk raft sinkt, weil die
Anpresskraft für das gleiche Dreh moment kleine r ist.
Bild M-14
Zusam menhang zwischen
Motormomenl und Kuppl ungs-
d urchmesserfür Pkw IM01].
Für das gezeig te Beispiel 150 Nm
kommen drei Kupplungen in Fra-
ge. Überlegungen zu Wahl 1 und
2 siehe Text.
165 170 180 190 200 215 228 240
Kuppl ungsdur chmesser (mml
3000
..
900 0
Bereich der Anpresskraft (N)
-- ---- --- -
,-- --- ,--- I
-
-
------ -~~ - fl ~I ---·-
[I!iiJ l1Ilil "'"
-
--
[:::Jc:lJ
0+--------------._
400
•z
-
300
•e
•
:5 200
Co
...
100
~
Ein kleiner Kupplungsdurchmesserermöglicht einen niedrigere n Motoreinba u im Fahrzeug.
Dadu rch wird der Fahrzeugschwerpunkt abgesenkt.
Im Rennbereich werden unterschiedlichste Reibbelüge angebote n um die mannigfachen
Anforderungen abzudecken. Beläge mit hohen Verschleißbreiten (siehe unten) werde n ein-
gesetzt, wen n viele Starts gefahre n werden und lange Lebensdauer benötigt werden. Dies
trifft u. a . auf Rallye. Rallyecross. Autocross, Tourenwage n und Langstrecke zu. Für Rund-
st reckenfahrzeuge gibt es sehr leichte Kupplungsscheiben, die sich durch geringes Massen-
trägheitsmoment und kleinen Kupplungsdurchmesser auszeich nen. Kohlefaser-Kupplungs-
scheiben ermög lichen extr em kleine Kupplungen mit hohcr Tempe raturbestä ndig keit. Ein
weiterer Vorteil ergibt sich durch de n praktisch fehlenden Verschleiß am Schw ungrad.
648 1
2 Kupplung
M
1100
~ 700
•E
o
~500
o
~
o
::E 300
'~
140
184
200
Kupplung sdur chme s ser [ mml
1<1'0" Rally
~ 1 Scheibe
'0 eece
o 1 Scheibe
'0 Carb on
1 Schei be
Bild M -1S
Kupplungsauswahl für Renn-
kupplungen, nach 1M2?].
Für drei verschiedene Ausfüh -
rungen von Kupplungsschei-
ben {Rally, Pace. Carbonj
ergeben sich je nach Anzah l
der eingebauten SCheiben
unterschiedliche übe r tragba -
re Moto rmomen te (der Dy-
namikfa ktor i st dabei berei ts
berücksichtigt).
Die Ausrückkräfte liegen im
Bereich von 1900 bis 4g00 N.
2.3 Kupplungsbetätigung Clutch actuation
Die Kuppl ung wi rd mecha nisch oder hydrauli sch betätigt. Als Hydraulik flüssigkeit kommt
dasselbe Fluid wie bei den hydrau lischen Brem sen z um Einsatz. Wicht ig ist im gcschlos -
scncn Zustand ein Spiel zwischen dem Ausrückring und de r Membranfeder. So ist sichergo-
stellt, dass die Fede r in jedem Fall (also auch bei Ausdeh nung durch Temperaturerhöhung
ode r d urch Verschleiß) die unbehinderte Vorspan nkraft erreic ht.
Es gibt grun dsätzlich zwei Arten des Ausrückens. Je nachdem wie die Kupplung aufge-
baut ist, wird die Me mbran feder beim Aus rücken gezogen oder gedrückt. Bild :\1-16.
Die gedrückte AusfLi hrung weist den klassischen Aulbau ei ner Tellerfederkupplun g auf.
Zum Auskuppeln wird ein einfacher Ausrückring gegen die Feder ged rückt. Bei der gezo-
genen Kupplung muss die Membranfeder vom Ausr ücker gezogen werden. da mit sie die
Anpressplalle freigibt. Der Vorteil der gezogenen Kupplung liegt im einfachen Aufbau der
eigentlichen Kupplung. Die Feder ist nicht mit dem Kupplungskorb verbunden und d ie Kupp-
1 Schwungrad
2 Kupp lungssche ibe
3 Getr iebewelle
4 Kupplungskorb
5 Anpresselette
6 Membranfeder
7 Ausrücker
____ ___
1
b
Bil d M- 16 Aus rücka rten einer Membranfederkupplung.
a ged rückte Ausrückunq pusn-tyoe release
b gezogenen Ausrückung pl)ll-type release
MAnt riebs strang
lung besteht au s we n ige r Teilen. is t a lso p ri nzi piellleichter. Bei gleiche m Außendu rch messe r
bringt die Telle rfed er beidiesem Typ ei ne größere Druckkra ft au f die Anprcssplanc aufbzw.
bei gleicher Anprcsskraft kann die Feder mit geringe rem Durchmesser ausgeführt werden.
Gegenwärtige Formel- I- Kupplunge n sind ausschließlich gezogene Kupplu ngen [M04].
Die Pedalcharakteristik ergibt sich aus der Membranfedercharakte ristik durch die Hebel-
übersetzung und die Übersetz ung des Ausrücksyste ms sowie elastische Verformungen,
Bild :\1· 17.
1 Kupplung hat getrennt
2 Beginn der Drehmo m ent-
üb ert ragung
'"
I
I
''0
60
80
100
Peda lweg [m ml
'0
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•
•
~80
~
•
"
60
•
•
Bild M -17 Beispiel einer Kennlinie eines Kuppl ungspedals [M0 1].
Die Ped alken nlinie wurde mit einer Elnscheib entrcckenkupptcnq für Pk w aufgenommen . Die Kennlinie
ist die Kennlinie der Membran fede r verzerrt durc h Hebelübersetzungen u nd elastische Verfo rm ungen im
Üb ert ragung ssystem. Es bildet sich auc h eine ausgeprägte Hysterese aus. Im Dosierbe reich nimmt d ie
Vorspan nkratt der Feder mit kleiner werdenden Pedalw eg stetig zu.
Durch den Verschleiß von Kupplungsscheibe und Zwischenplatte ändert sich die Vorspan-
nu ng der Membr anfeder. weil das gesa mte Scheibe npaket zusam me nrückt. Die Feder wird
also etwas entspannt. Wird de r Verschleiß zu groß. nimmt die Anpresskraft so stark ab. dass
die Kupplung nicht mehr d as gewünschte Moment übertragen kann und zu rut schen beginnt.
Die versc hleißbreite. Bild ;\1-18. ist ei n Ma ß für d ie Empfind lichke it de r Kupplu ng a uf Ver-
schleiß. Eine Kupplung mit großer Verschleißbreite kann das Nennmoment übereinen größe-
ren Verschleißbereic h übert rage n. Verschleißbreiten liegen im Bereich von 0,6 bis 1.5 m m.
Der Ausrückring wird mechanisch oder hydraulisch betätigt. Einc hydraulische Betätigung
erfolgt iibcr eine geradlinige Beweg ung und drückt so immer zentrisch auf dic Feder, Bild
1\1-19. Ein mechanischer Hebel beschreibt einen Kreisbogen und weicht dadurch bei großen
Verschiebewegen von der Mitte zwangsläufig ab. Das lässt sich allerdings mit einem z usätz-
lichen Führungsrohr verhinde rn. Bild .\1-20. Das Hydrauliksystem funkt ioniert gleich wie
bei den Bremsen. Das Kupplungspedal betätigt den Geberzylinder und dessen Hydraulik-
druck wird an den Nchmcrzylindcr. den Ausrücker. weitergeleitet. Einziger Unterschied zu
den Bremsen ist der. dass die Verschiebewege der Kupplungsfeder wese ntlich größer sind
und daher die Zylinderdurchmesserund die Leitungen für rasc hes Kuppeln aufgrößere Volu-
mcnströrnc ausgelegt werden müsse n. Die lichte Weite der Druckleitung soll de mnach um 5
m m betragen [M24].
2 Kupplung M
Au. r uCk"eg 1
1 Kuppl ung im Neuzu stand
2 Kuppl ung bei großem Ver-
schleiß
Au s r ückkraft
Weg des Aus rüc ke rs
/1
I
2!......... ·-
......... ,!1
.
.0 -------- -
.-- --- --- ---- -- 1'..
....A!!Presskraft
/'
, "',
/ !Vu sch1e16_ i
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I ~ bre1te ~AbhUb~
/
,
~/I!r-i -7---C~
"'usruc~".g 2
Bild M -18 Verschleißbreite einer Kupplun g wear range of a clutch.
Im Ne uzustand (1) ist der Ausrückweg klein, d ie Feder is t über den Max imalwert vorgespannt. Du rch den
Versch leiß we rden die Kupplungsscheiben dünner und d ie Verfo rm ung der Feder geht zur ück . Dadurch
steigt die Vorspannkraft de r Feder zunächst an und sinkt bei weiterem Verschleiß wied er ab. Die Ver-
sehteißbreite ist erreicht, wenn die Vorspannkrafl auf das ursprüngliche Niveau abgesun ken ist (2). Bei
weiterem Verschlei ß sink t die Vorspannkraft unter diesen Wert und d ie Ku pp lung kann das Nennmoment
nich t mehr übe rtragen. Der Ausrückweg verg rößert sich bei Verschle iß. weil die Feder b is zum Abhub von
de r Anpresselatte deformiert werden m uss.
6
1 Kupplung
2 Ausrückring mit A xiallager
3 Ausrückeinhe it
4 Get riebegehäuse
5 Ent lüflungsleitung
6 Druckleitung vom Geber-
zylinder des Kupplungspe-
dals bzw . der Ste uere inheit
bei aktuierter Kuppl ung
Bild M - 19 H ydrau lisc h er Ausrücker.
Der A usrücker wird an die Stirnseite des Getrie begehäuses geschraubt und betät igt eine gedrückte Kupp-
lung . Der Ausrückring (2) sitzt auf dem rohrförmigen Ko lben der Ausrücke inheit (3).
Am Ausrücker sitzt ein Axiallager. das zw ischen dem stillstehenden Hyd raulikkolben bzw.
Ausrückri ng und de r rot ierenden Membran feder ausgleicht. Im Gegensatz zu Pkw-A nwen-
dungen müssen diese Axi allager im Rennbetrieb wesentlich höhere Temperat uren und je
nach Motor isierung auch höhere Drehzahlen ertragen könne n.
MAnt riebsstrang
00
0~0
O\\'JO
00
6
Q
Q
Q
1 Kupplung
2 Sicherungs ring
3 Ausrückring mit Axiallager
4 Hebel
5 Führungsroh r
6 Getriebegehäuse
Bild M -20 Mech anischer Ausr ücker.
Der Ausrückhebel befindet sich zw ischen Kupplung und Getrie be und betät igt eine ged rüc k te Ku pp-
lung. Der Hebel ist von einem Serie nteil um gebau t w orden, dami t die Betätigung über einen Gelenkko pf
erfolgen kann. Der Ausrüc kring (3) wird vom Hebel (4) gegen die Kupplungs/ad er gedrückt Damit der
Druckring t rotz der Hebe ldrehung immer m itt ig b leibt, gleitet er au f dem dünnwa ndigen Füh r ung srohr (5).
das an das Getriebegehäuse (6) geschraubt w ird .
Die Kupplung wird üblicherweise nur zum Anfahren oder beim Bremsen benutzt. Das
(Hoch-jSchaltcn erfolgt ohne Kuppeln. Die Zündung wird bei manuellem Schalten da für
unterbrochen und bei elektronischer Schaltu ng wird zusätzlich der Zündwinkel während
des Schaltvorga ngs beei nflus st.
3 Get riebe Gearbox
Funktion [un ction, Das Getrieb e ermöglicht eine Anpass ung der
Motorcharakt eristik an das Fahrzeug und an den Streckenverlauf
Bei vielen Fahrzeugen ist auch Rück wärt sfah ren gefordert.
Die Schaltvorgänge sollen mög lichst rasch ausführbar sein und
die unterbrochene Zugkraft an den Antriebsräde rn nicht schlagartig
wieder einsetzen, damit die Reifen nicht unnöt ig bean sp r ucht wer-
de n und die Fah rstabilität des Fahrzeugs nicht beeint rächtigt wird.
Gerade bei einem Rennfahrzeug ist Stab ilität ein wesentliches Krite rium, wei l es a n der
Haftu ngsg renze der Reifen bewegt wird. In einem Formel-I -Renne n sind et wa 2000-2600
Schaltv orgänge nöt ig, inne rhalb der 24- St unden von Lc Mans schalten d ie Fahrer 15 800
mal.
Neben den eigentlichen Aufgaben übernimmt das Get riebegehäuse bei Rennfahrzeu -
gen noch andere Funktionen. Radaufhä ng ungsteile (Qucrlcnkcranbind ung, Lagerung von
Umlenkhebel n und Stabilisato ren), inne nliege nde Bremssät tel. Star ter und Heckflügel
können vom Gehäuse aufgenommen werden. Bild :\1 -21 zeigt schematisch den Aufbau
eines Getri ebes. Die Kupplung sitzt auf der Getriebewelle (3). Die Get riebewelle läuft
durch einen Tunnel in das eige ntliche Getriebegeh äuse. Davor ist der Ölvorratsbe hälter
3 Getriebe
Bild M -2 1 Aufbau und Funktionen eines Getriebes. Bezeichnun gen siehe Text.
(4) für de n Motor angegossen. Die Druckpumpe des Motors saugt das Öl bei der Öff-
nung (5) ab. Das Getriebegehäuse nimmt die Radsätze de r einzel nen Übe rset zungsstufen
und den Achsantrieb (\3) auf. Das hintere Ende des Ge triebes ist m it einem Lagerdeckel
(7) versch lossen . Wird dieser Deckel entfernt, können die Getriebestufen geta uscht wer-
den. Der Deckel stell t auch eine Aufnahme (8) für das hinte re Crashelement bereit. Das
Öl erwärmt sich im Betrieb und der Luftdr uck im Gehäuse steigt. Damit die Dichtungen
nicht zu stark be anspr ucht werde n. ist eine Entlü ftung (9) erforde rlich. Diese mündet im
Freie n oder in einem Überlaufbehälter. Die äu ßere Sch alt u ng e rfolg t über eine Wel le be i
H-Sch altun g oder übe r ei nen Heb el (12) bei sequen tieller Scha ltung. Z usä tzlich kann sich
noc h ei n Schalter au ßen am Gehäuse befinde n. der ged rückt ode r gezogen werde n mu ss,
dam it der Retou rgang und der erste Ga ng eingelegt werde n können. Das Gehäuse weist an
stei fen Stellen, wie Bereiche von Schonwänden. kräftige Butzen auf. So werden Umlenk-
hebel des Fahrwerks direkt am Gehäuse gelagert (I), Q ue rle nke rko n sole n können in der
Hö he ve rsetz t werden (2) oder Feder/ Dä mpferelemente wer den a n ents preche nden Butze n
(10) verschraubt. A n de r Oberseite können solche Butzen auch ei ne Basis für Messlatten
sein. die beim Setup aufgeschraubt werd en und von denen aus der Bodenabstand gemessen
wird. Weil die Gewinde in dem Fall seh r oft benutzt werde n. befinden sich MetalIgewin-
dccin sätzc i n den Schr aubenpfeifen. Da s Getriebeöl wi rd übe r d ie Öffnung (11) eingefüllt
und über die Gewindebohr ung (6) abgelasse n.
Das Getriebe wird im Allgemeine n direkt an das Kurbelgehä use des Motors engeflanscht
und kann längs oder quer im Fah rzeug angeordnet werde n. Längs bedeu tet, dass die Gctric-
belraup twelle pa ralle l z ur Fahrzeuglä ngsachse ve rläu ft.
Eine schwing ungs isolierte Aufbäng ung über elastische Elemente. w ie sie bei Se rien fahr-
ze ugen Standard ist. kom mt bei Rennfahrzeugen ka um vor. Er nkopplu ngselemente be an-
spruchen Baura u m. ebenso wie Bauteile . d ie du rch ei ne solche Befestig u ng Bewegu ngs-
rau m erha lten. Außerdem führen elast ische Eleme nte zu Energieverlusten u nd Indirckthcit
durch z usätzliche n Beweg ungs rau m.
M
1653
MAnt riebsstrang
Entwurf layout, Getr iebe we rden entweder als Zuka ufteil mit ei nem Motor kombini ert -
der Radstand kann über die Länge des Kupplungsgehäuses angepasst werde n - oder das
Getriebe wird für ei n Fah rzeug neu konst ruiert. Im letztgenannten Fall sind wichtige Anga -
ben zur Ausleg ung das Motorn cnnmom cnt, de r Einsatzzweck. die Kupplung (Art und Grö-
ße), Bauraumvorgaben . Übersetz ungen, das Schaltungssyste m (Betätigungsart. H-Schal-
tung. seque nziell), Radg rößen und die Radau fhäng ung (es können j a durch sie Kräft e ins
Getr iebe ei ngelei tet werden ).
Ocr Entwurf begin nt mit Auswäh len de r Wcllcnposhicncn. der Gest altung der Radsät ze
und Festlegen des Achsabstands. Zuletzt wird die Schaltung gestaltet.
Arten \011 Getrieben tvpes cftrans tnission , Je na ch Art de r Übers etz ung sä nderung unte r-
scheidet man zw ischen Schaltgetrieben und Stufentosgetrieben. Durch die Art der Bctliri-
gung ergeben sich ma nuelle Getr iebe, automat isier te Getriebe und Automatikget riebe. Eine
genaue Betrac htung de r Automatisierungsgrade von Schaltgetrieben liefert Tabelle 1\1-3 .
Tab . M · 3 Automat isierungsgrade von Scha ltgetrieben IMll].
Automatisie- Anfahrvorgang
Scha ltkuppeln
Gangwechsel
rungsgrad
0
lußbetätigte A nt ahrk up plunq tußbe tätiq tes Kuppeln
man uel les Betä tigen eines
Schalthebels
lußbetät igte Anl ah rkupplung au toma tisiertes Kupp eln man uelles Bet ätig en eine s
Schalthebels
2
au tom at isierte A nrehrk opo-
a u toma tisiertes Kupp eln m anuel les Betätig en eines
tung
Schalthebels
3
automat isiert e Anfahrkupp - Gangwe chsel eingeleitet manuelle Gangvor wahl
tu nQ
d urch f ußbetätigtes
d urch T ipptas ter
Kuppeln
4
au tom at isierte A nrehrk opo-
automa tisiertes Kupp eln auto matisierte Gangw ahl
tung
unterstü tzt durch Motor -
m anagement
Bild :\1-22 zeig t de n Sys te maufb a u ei nes a utomausr etten Sch altget riebes (ASG) . Das
Get riebe und die Kuppl ung sind im Grunde gleich wie bei ma nuelle r Betät ig ung. nur das s
bcidc über Aktnatoren bet ätigt werden. Dere n Anste uerung erfolgt über Steuergeräte. die
flir dic Fahrz ustandse rkennung und Berechn ung de r Schaltvorgänge verschiedene Einga nge
wie Geschwi ndigkei t. Getriebed rehzahl usw. aufweise n.
Bild 1\1 -23 liefert ei ne Vorst ellung, wie komplex sich die bauliche Umsetzu ng einer Auto -
matisieru ng an ei nem Schaltgetriebe gestaltet. Zu sehen ist die elektrohydrauli sche Einheit,
welche die Kupplung sbctät igu ng und Gang wechs el au f Wippcnbetätigung vorn im mt.
6541
3 Getr iebe
M
Diag r\08e
Fahrpedal
Zusatz -
progra ....e
Funktions - und
War nanzeige
3
2
Geschwi ndi gkeit Getr 1ebedr ehzahl Gangerk ennung
4
Bild M - 22 Schema eines automatisier ten Schaltqetnebes (ASG),
1 Motorsteue rgerät engine control uni t
2 Kupp lungsa ktuator clurch actuator
3 Getriebes teller actuated gearshift
4 ASG-Steuergerät gearbox control unit
5 Motor und Getr iebe engina sra gearbo x
Bild M - 23 Hydrauliksteue rung an einem Schaltgetr iebe (Ferrari FormeI1 ).
Zu sehen ist die rechte G etriebeseite .
1655
2
'.
MAnt riebs strang
3 .1 Schaltgetriebe Mec hanical gearbox
Die Ausleg ung von Getrieben, also die Wahl von Gängen und deren Abstufungen für ein
harmonisch es Zusa m me nsp iel zwischen de m Motor und de n Rädern beschreibt Kapitel K
Gelriebea uslegung.
Sch altgetriebe werde n in der über w iegend en Mehrhe it als Za h nradget riebe ausgeführt.
Dabei lassen sich nach der Anzahl de r Übersetzungsstufen mehrere Arten unterscheiden.
lJild :\1-24 . Unter eine r Stufe wird in dem Fall ein Zahnradpaar verstanden, das eine Über.
setz urig re alis iert .
Einst ufige Ge triebe we rde n vorwiege nd in Fahrzeuge n m it Q uer moto r u nd Frontant rieb
verwendet. Zweistufige Getriebe bieten sich an, wenn das Motorm oment koaxial wcitcrgc-
leitet werden soll. wie es beim Standardantrieb der Fall ist. Ein Ga ng ist dabei de r direkte
Durchtrieb durch das Getriebe (im Bild M·24b der 5. Gang, so ge nannte r direkter Gang).
Mehrstufige Getriebe Jassen sich beso nde rs kurz bauen. Sie brauchen natürlich dafür mehr
Platz in der Höhe bzw. Breite.
45
21
~ LIJ LIJLI- ~ 5~Ij LIJLIt 3
a
b
c
Bi ld M·24 Au fbauarten von Getrieben
a e instufiges Getriebe single -stage transmission
b zweistufiges Getriebe dual-stage transmission
c mehrstuf iges Getriebe multi -stage transmission
1 Ant riebswe lle input srett
2 Abtr iebswell e output srett
3 Vorge legewe lle layshaft
Be i Rennfahrzeugen m it Mitt elmotorano rd nung bietet es sich an. das Achsgetri eb e in d as
Schaltgetriebe zu integrieren . Da bei gibt es meh re re Mög lichke iten das Get riebe zwische n
dem Motor u nd der Hinterachse anzuordnen, Bilder ;\1-25 bis ;\I -2ft
Der Get riebea ufbau beeinflusst nä mlich die Massenverteilu ng. Q uerliege nde Getriebe
weisen diesbezüglich den Vorteilder kurzen Baulänge auf und helfen so die Massen um den
Fah rzeugschwerpunkt zu konzen trieren. Ein größerer Zerleg ungsa ufwa nd beim Anpasse n
der Getriebeübersetzungen kann allerdings ein Nachtei l gegen über der Längsanordnu ng
wer den.
Anord nu ng der einzelne n Getriebestufen. Die größte Übersetz ung (I. Gang) soll in de r
Nähc einer Lagerung sein. Man wird a uch d a na ch tra chte n die Vcrdre hung durch d as Torsi-
onsmo ment in den Wellen klein zu halten. Die Eingangswelle muss als höchstes Moment das
maximale Motormoment ertragen (von dyn amischen Erhöhungen durch Knallstarts einmal
abgesehen). Daran ändern einzelne Gangst ufen nichts. Ande rs sind die Verhältnisse bei de r
Abtriebswelle. Hier ände rt sich das Moment funktionsgemäß mit dem Ga ng. Deshalb wird
das Zahnrad des ersten Gangs am nächsten zum Triebling des Achsgetriebes angeo rdnet.
M
3 Getriebe L::""::""::_
••
Bild M· 25
längsanordnung des Getriebes
hinter der Achse .
1 Kupplung cJvteh
2 Antriebswelle input shaft
3 3 AbtriebsWelle OfJtput shaft
4 Achsantrieb final drive
5 $eitenwelle ha/f-shaft
••
\
5
Bild M·26
längsanordnung des Getriebes
vor der ,4,chse.
1 Kupplung cluteh
2 Antriebswelle input stla't
3 Abtriebswelle onpot stJaft
4 Achsantrieb final drive
5 Seitenwelle half·shaft
Bild M·27
Queranordnung des Getriebes.
1 Kupplung clutch
2 Antriebswelle in{JlJt shaft
4 3 Abtriebswelle output shaft
4 AchsanIrieb final drive
5 Seitenwelle h8lf·s1Iaft
M Ant riebs strang
Bild M-28
Länqsqetrteba mit Zwischen-
weue .
,
Antr iebswelle input sren
2 Abtriebswelle ouoot shaft
3 Zw ischenwelle
intermediate shaft
4 Achsantneb final drive
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4
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(-'-l-iao
c
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•
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-
-
-
-
-
Bil d M -2 9 Radsatz eines Länqsqetriebes mit zwecreoweae.
Die Zwischenwelle ermöglicht einen Höhenversalz b zwischen Getr iebe und der Hinterachse unabhän-
gig vom Achsabstand B. Bei gegebenem Reifendurchmesser 'dyn kann so der Schwerpunkt des Getrie-
bes abgesenkt werden und das Getriebe hat an der Unterseite eine aerodynamisch günst ige Form. d. h .
de r Mitteldiffusor kann leich t untergebrach t werden.
,
Antriebswelle
2 Abtriebswelle
Bil d M - 30 Anordnung der Gelriebestufen bei einem Längsgetriebe.
Die Zahlen stehen für d ie Gangstufen, R für Rückwärtsgang. Für den Rückwärtsgang is t ein we iteres
Zwischenzahnrad zur Drehrichtungsumkehr erforderlich. Die Losräder befinden sich auf der Abtriebs-
welle. Ein externer Starter kann von hinten auf d ie Antriebswel le w irken. Be i geschlossener Kupplung und
Leerlauf kann der Starter so direkt die Kurbe lwelle des Motors an treiben.
65s 1
3 Getriebe
M
Bild M-31
Anordnung der Getr iebestufen bei einem Quer-
qe triebe.
1 Antriebswelle
2 Abtr iebswelle
Die Zah len stehen für die Gangst ufen. R für Rüc k:-
wärts gang. Für den RüC k:wärtsgang ist ein wei te-
res Zwischenzahn rad zur Drebrichfunqsumkeh r
erforderlich. Die Losräder befinden sich auf de r
Abtriebswelle.
Dann muss das höchste Moment nur vom Zahnrad bis zum Tricbling übertragen werden
bzw, d ie Welle muss nu r in d iesem Bereich einen g rößeren Durchm es ser aufwe isen.
Schalt en. Den Wechsel von einer Get riebestufe z ur nächsten ermög licht d ie Schaltung. Bei
den beteiligten Bauteilen wird dabei zwischen äußerer und innerer Schaltung untcrschic-
den . A lle Teile außer halb des Getr iebes gehör en zur äuße ren Schalt ung. also unter ander en
Schalthebel. Ges tä nge. Seilzüge. Die innere Schalt ung er möglicht das eigentliche Ak tivieren
einer Übersetzung. Üblicherwe ise werden unterschiedliche Übersetz ungen in Schaltgetrie-
ben so dargest el lt. indem ein Zahnrad fest auf der Welle sitzt (Fcst rad) und das käm mende
Gegenrad (Losrad) wahlweise mit seine r Welle verbunden wird. Dazu sitzt jeweils zwischen
einem Zahnra dpaareine Schalt muffe. d ie die Drehmoment verbindung des linke n oder rech-
ten Rads mit de r Welle herstellt. Bild l\1 -32. ln Schaltgetr ieben mit H-Schaltung ergeben sich
so genannte Schaltgassen . In einer Schaltgasse werden erster und zweiter G ang geschaltet.
die Zahnradpaare in der nächsten Gasse stellen den dritten und vierte n Gang dar und so fort.
Eine Einr ichtung muss dafür sorgen. dass im mer nur eine Gangst ufe akt iviert sein kann.
Für sec hs Gänge sind d rei Schaltgabeln erforde rlich und in einem Siebenganggetriebe
vier. Für den Rückwärt sgang ist ebenfalls ei ne innere Schaltung erforderlich. Diese erfolgt
über einen Akt uator oder ebenfalls über eine Schaltgabel. d ie de r Ein fachheit halber über
ei nen Seilz ug betätigt werden kan n. In jedem Fall ist da bei siche rzus tellen. dass die übr igen
Sehallg abc1 n in der Neut ralste llung sind .
Für ei ne schaltbare Drehrichtu ngsumk eh r. wie sie für einen Retourgang erforderlich is t.
gibt es mehrere Möglichkeiten . von denen einige in Bild :\1-33 angefü hr t sind.
Ist kein Losrad dur ch eine Scha ltm uffe fixiert. be findet s ich das Get r iebe im Leerla uf.
Weil es bei seq uenzielle n Ge t rieben so mehrere Möglichkeiten ei nes Leerlauf." g ibt, w ird die
"gep lante" Neutralste llung über ei nen Schalter im Cockp it oder d irekt am Lenkrad aufge-
s ucht. Der Aktu ato r d reht dabei üblicherweise die Schaltwa lze in die Neut ralste llung zw i-
schen ers tem und zweite m Gang. Wird vom Reglement verlangt. d ass St reckenposte n von
außen den Leerlauf ein legen kön nen um das Fah rzeugzu sc hieben. wird meist d ie Kupplung
auf Knopfd r uck durch einen Aktunte r getrenn t,
1659
MAnt riebsstrang
1 Antr iebswe lle inp u t shaft
2 Festrad fixed gear
3 Losrad idler gear
4 Scha ltm uffe dog-ring
5 Abtriebswelle ouuxs sran
Bild M-32 Prinzip der inneren Schaltung.
Die Schal lmuffe ve rbindet wa hlwe ise das link e oder rechte Losr ad mit der Ab lriebswelle . D ie Gelr iebe -
st ufe bestehend aus Fest- und verbundenem L o srad w a nd elt dann das Eingangsmoment in ein Aus-
gangsmoment. Steht die Sch altmuffe in der Milt elposilion ist kein Gang eingelegt (Leerlauf).
LrJ '~ Ln~ ':;- ~
LH- Lfj 2-1~- 1
a
b
~2
Bil d M-33 Möglichkeiten eines RQckwärts gangs ,
a Zwischenrad zwischen Lo s- und Festrad
b KettezwiscnenWelle 1und 2
c Sch ieberad zwischen Welle 1 und 2
Eing angswelle
Ab tri ebsw elle
In Pkw-Getrieben werden die unterschiedlichen Drehzahlen von Welle und darauf sitzen-
dem Los rad durch Reibkupplungen (Synchronr inge) angeglichen. be vor die form schlüssige
Dreh moment verbind ung vollstä ndig hergestel lt wird . Rennget riebe werden ohne Synchro-
nisiereinrichtun gen aus geführt um Gewicht und Schaltzeit z u sparen. Eine Sy nchronisie-
ru ng ist natürl ich auch bei diesen Getr ieben erforderli ch. nur ni mmt diese der Fahrer zum
Teil durch Wahl der Schaltd rehzahl vor, z um anderen Teil erfolgt die Synchronisicrung
durch den Schaltvergang selbst. Die erforderli che Beschleun ig ung bzw. Verzögerun g der
Zahnräder und Wellen erfolgt über den Stoß der Klauen. Verschleiß und Kom iort s ind beim
Rennfahrzeug ja von untergeordneter Bedeutung.
Bei einer üblichen H-Schaltung erfolgt die Schalbewegung in zwei Teilen. Zuerst wählt
der Fahrer die Schaltgasse (also 1. Gang - Rückwärtsgang. 2. Gang - 3. Gang usw.) und
dann erfolgt das eigentliche Schalten, vgl. auch Kapitel 0 6 Sc h alt ung. Bild ;\1 -34 zeigt
die A nordnung der Schaltgabeln und ih re Betätigu ng durc h den Schaltfi nger. Die Wähl -
bewegung erfolgt durch das Drehen der Schah welle (I). Dadurch gleitet der Schaltfinger
(2) in d ie Nut der gewünschten Schaltsta nge (0; Schaltgassc ). Das eige ntliche Scha lten er-
folgt durch Ziehen oder Drücken der Schallwelle, wodurch die Schaltgabel das gewü nschte
Losrad mit der Welle verbindet. Damit immer nur eine Schaltstange bewegt werden kan n,
müssen di e übrige n gesperrt we rden. Daz u d ienen Gleitsteine und Kugel n (Bild M-34c).
Wird ein e Schaltsta nge aus der Ruhelage verschobe n, drückt diese die Sperrkugeln z ur Seite
3 Getriebe
M
4
3
2
Wähle n
a
5
b
c
Bild M-34 Innere Schaltung für H -Muster.
a ube rstcntscarsteuunq
b Ansicht von hinten
c Detail d er Schallstangensperre
1 SChaltwe ile
2 SChalts tange l - R
3 Scha lts tange 2-3
4 SChalts tange 4 -5
5 Scha lUinger
6 Bloc kade l-R
7 verstellbarer
Anschlag
und d ie beide n andere n Sta ngen kön nen nicht mehr verschoben werden. Die verschobe ne
Schalts tange selbs t wird über eine federbelas tete Kugel in ei ner weiteren Nut ar ret iert. Der
Rückwärtsga ng und der erste Ga ng werden durc h eine n A nschlag des Schaltfingers blo-
ckier t. Möchte der Fa hrer ei nen dieser Gä nge einlegen, mus s er erst übe r einen Hebel im
Cockpit die Blockade aufheben , dann erfolgt das Schalten wie bei den übrigen Gängen mit
dem Schalthebel. Durc h d iese Blockade wi rd vermieden , dass in der Renn hekt ik ein falsch-
er G ang eingelegt wird.
Bei sequentiel l zu sc haltenden Get rieben ist d ie eigentliche Schaltu ng gcn uu gleich . Die
Betätigu ng der Schaltmuf fen erfolgt allerdings über ei ne Drehbeweg ung. Diese kann von
Hand ode r über ei nen Akt uator elek tronisch geste uert erfolgen , Bild M-35 .
Für jewe ils zwe i Getriebestufen sind eine Schaltgabel und eine Schal tm ufTe erfo rderlich.
Ein solches Paket von benachba rten Losräde rn mit den dazwische n liegenden Teilen de r
inneren Schaltu ng zeigt Bild M-36 . Der gesamte Radsa tz einer Welle wird also durc h
Ano rdnung von entsprec hend vielen Naben, auf denen d ie Los räder laufen und d ie Schalt-
muffen sitze n, aufgebaut.
Bei der Schaltung von Hand ist ein Ratschensystem nöt ig. da mit die Schaltwa lze ge nau um
den erfo rde rlichen Winkelbet rag und nicht weiter ged reht wird . Im Prinzip ist das genau so
wie bei Motorradgetrieben. nur da wird mit dem Fuß geschaltet. Für den Fahrer wird eine
Art der Ga nganzeige vorgesehe n. weil er sonst nicht weiß. welcher Ga ng eingelegt ist. Wird
die Schaltu ng über einen Akt uator ohne Ratschensys tem vorgenommen. wi rd eine Rege-
lu ng er fordertich . damit in jede m Fall sichergestell t w ird. das s der Gang auch wi rklich ein-
M Ant riebs strang
1 Schaltmuffe dog-ring
2 Nabe sleeve
3 Abtr iebswe lle outout shaft
4 Achse für Schaltgabel
seleetar fork shaft
5 Stellmotor rotaryaetualar
6 Zahn rad (Losrad)
gesr (/dler geer)
7 Schaltgabel seector to o:
S Pcsüionsqeber
rotary sensor
9 Arretierung detent
10 Schaltwalze seecev barrel
Bild M - 35 Innere Schaltung für seq uentielle Betätigu ng (Ferrari F1 2000).
Die Schallwalze (10) wird von einem hydraulischen Stei ler (5) ve rdreht. Dadurch bewegen sich die Schal l -
gabeln (7) ent lang der Ach se (4). weil sie mit einem Zapfen in einer Nutbann geführt sind. Diese Bahnen
sind so abges timmt. dass jewei ls genau eine Gabel d ie Scha ltmuffe (1) nach links oder rechts ver sch iebt
und so die Klau e n eines Losrads (6) zum Eingriff bringt. Die Schaltmuffe se lbst überträgt das Moment
a uf ih re Nabe (2), die wiederum mit einer Steckverzahnung auf der Abtriebswel le {3) sitzt. Eine Ar retierung
sorgt dafür, dass d ie Scha ltwalzen an der gewünschten Posit ion ble iben.
-.
e
1 Losrad für Getriebestufe n
2 Nabe für Schaltmufle
3 Nadellager
4 Scha ltm uffe
5 Losrad für Getriebestute n + 1
Bild M -36 Ba u teile de r inneren Schaltung.
Diese Teile gehören zu der Schal t ung von Bi ld M-35 . Die Losräder {1, 5) sind nadelgelagert (Lager 3) und
lauf en auf der Nabe (2). Die D rehmomentverbindung stel lt d ie Scnanrnutte (4) sicher, ind e m sie a uf der
Nabe (2} nach rechts oder links verschoben w ird und d ie Klauen eines Losrads (1, 5) zu m Eingr iff br ing t.
Die Nabe selbst läuft mit der Abtriebswel le um, m it der sie über eine Steckverzahnung verb unden ist.
3 Getriebe
gelegt ist. Bei Versch leiß u nd/od er Temperaturän deru nge n w ü rde n rein gesteue rte Systeme
zu Fehlschaltungen neigen . Bei man uellem Scha lten übernimmt der Fah rer diese Regelu ng
inde m er so lange am Schalthebel zieht bzw. drückt. bis de r Gang einrastet ode r er versucht
es nach ei ner Fehlschaltung ein fach nochmals. Für die Regelu ng wird ein Positio nsgeber
erforderlich. der die Stellung der Schalt walze an das Steuergerät meldet. Aus Sicherheits-
gr ünden wird dieser Sensor gerne redu ndant ausgeführ t.
Akt ua toren er möglic hen e inen äu ßerst rasc hen u nd elekt ronisch gesteue rten G a ngwech-
scl. Als Ak t uatoren ko mmen elekt r ische. elektro-hyd raulische und elekt ro -pneumat ische
Systeme in Frage. Bet rach tet man d ie Leistungsdichte. sind elektro-hydrau lische Steiler die
erste Wahl, knapp gefolgt von elektro-pneuma tischen.
Berücksichtigt man das nötige Gesamtsystem. ergeben sich auch für die prinzipbedingt
größeren pneumat ische n Akt uatore n Vor teile. Das Bet r iebs med iu m ist die in der Umgeb ung
vorhande ne Luft und Leck age n wirken sich im Vergleic h z u Hydraulikelem enten weniger
katastrophal aus.
Hydraulische Systeme be nötigen neben einer Pumpe einen Druckspeicher. einen Kühle r
und ein Vorratsgefäß für das Fluid. Das System muss bei Leerlauf des Motors ebenso funk-
tionieren(etwa3000 min-I), wie an der Drehzahlg renze von 19500 min-I
. Der hydraulis che
Aktuator ist schneller als de r pneumatische und schon aus dem Grund wird er bevorzugt.
Dazu kommt inzwischen durch synt hetische Öle die Möglichkeit dasselbe Öl einzusetzen .
das als Schmicröl für das Getriebe ei ngese tzt wird. Dad urch werden z usätzliche Behälte r
und Kühler eingespart. Vor der Hydraulikpumpe muss allerdings ein Feinfilter sitze n, damit
die Stellventi le einwa ndfrei arbeiten.
Die innere Schaltung ist im Grunde für manuelle und automat isierte Getriebe gleich. Wenn
auch im Deta il vor allem bei Schaltmu ffe und Zahnradklau en (Bild M-36) große Unterschie-
de festz ustellen sind. Die Anzah l der Klauen ist bei ma nuellen Getrieben acht . bei automa-
tisierter Schaltung nu r vier ode r fünf. Die Klauen sind in de r Größe trotzd em etwa gleich.
Der so gewonnene Platz bei weniger Klauen erleichtert das Durchschalten der Schaltmuffe .
Die Klauen haben bei Schaltautomaten auc h keinen Hinterschliff damit die Trennu ng von
Schaltmuffe und Zah nrad schneller erfolgen kann. Die Begriffe ..Schalten erleichtern" und
"sch nell" sind relati v. Ein Wert soll verdeut lichen wie blitzartig ein elektroh ydra ulis ches
Formel-I -Getriebe arbeitet : Das Durchschalten alle r Gänge im Stand vom ersten bis z um
siebenten und wieder zurück zu m erste n Gang erfolgt in weniger als 0.2 s [M14}.
Zu akrart u nt erbrechung traction interruption , Wä h re nd eines Schalt vorga nges wird der
Moment en fluss zwische n Moto r und den Antr iebsrädern unte rbrochen. Das bedeutet beim
Hochschalten. dass au f das Fahrzeug in dieser Zeit keine A ntr iebskraft wi rkt und es durch
die Fahrwiderstände verzögert w ird, Bild .\1-37. Wird de r Kraftfluss nach de m Hochschal-
ten wieder hergestellt, setzt die Zugkraft - reduziert durch das niedrigere Übe rsetzungs ver-
haltnis - wieder ei n und das Fah rzeug beschleun igt wieder. Damit de r Geschwindigkeits-
abfallzw nicht zu groß wird, darfdie Schaltzeit fSchalt nicht zu lange sein . Selbst bei ei nem
Pkw darf deshalb die Zeit für einen Gangwechsel nicht meh r als eine Sekunde in Anspruc h
ne h men.
Zum Vergleich ergibt sich bei sportlichen Pkw und Sportwagen mit seq uenzieller auto-
mat ischer Schaltung unterstützt durch hochdynamische Kupplungs- und Motormomenten-
M
MAnt riebsstrang
Zeit t
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Bild M -3 7 Zugkraftunte rbrechung beim Hechsebalten .
Die Zugkraft w ird w ähr end des se teue re vol ls tänd ig unterbrochen. Die Fah rzeuggeschwindigkeit vx fä llt
während der Scha ltzeit tseMall um den Be trag M ab.
rcgclung ca. 0.15 s Zugkraftuntcrbrcch ung [M20], IM2l]. Im Rennsport erlauben aktuicrtc
Schaltungen einzelne Schaltvorgängc mit 0.04 s. In der Formel 1 liegen die Zeiten für
einen Gangwechsel - Dank halbautomatischem Get riebe auf Knopfdruck - bei etw a 0.01
bis 0.02 s.
Damit wird auch der Vorteil einer automatisierten Schaltung deutlich. Ein Formcl- I -
Wagen verzögert während einer manuellen Schaltung, die etwa 0,1 s braucht. bei hoher
Geschwindigkeit mit ca. I g. Dabei bet rägt sein Geschwindigkeitsabfall ungefähr 3.5 km/h
[MI4].
Den Ablauf einer automatischen Schaltung bei einem Tourenwagen zeigt Bild ~1-38, Beim
Hochschalten bleibt die Kupplung geschlosse n und d ie Drosselklappe voll offen. Damit der
Motor während des Ga ng wechsels nicht überdreht und die Motord rehzahl zu m leichteren
Schalten soga r gesenkt wird. wird die Zündu ng kurzzeitig abgeschaltet. Ein Formel-l VIO-
Saug mot or verzöge rt mit offener Dr osselklappe um Jooon Umdrehungen in einer Seku nde,
d. h. in CJ.02 s Zündunterbrechung fällt die Drehzah l um 600 Umdrehungen ab [MI4}. Die
verbleibende Rotatio nsenergie wird beim Durchschalten zur Beschleunigung des Fah rzeugs
genutzt. Das bedeutet aber neben der Stoßbelastung des Antriebsstrangs auch ein schlagar-
tiges Wiede r-Einsetzen des Anrricbsrnomcnts an den Rädern, was die Stabilität des Wagens
beeinträchtigen kann. G cnau das begr enzt die Verkürzung der Schaltzeit. Es muss also ein
Komp romiss zwischen Beschl eunig ung und Fah rst abil ität gefunde n we rde n. Wollte man
die Schaltzeit noch weiter verkürzen, müsste man den Motor während des He chsehatrens
z. B. mit Abgask lappen abbremsen.
Bei vorhandenen Fahrzeugen mit Handschaltu ng kann eine vom Schaltgestänge gesteuerte
Zündungsunterbrechung nachger üstet werde n. Das Hochschalten erfolgt da nn oh ne Kup-
peln und die Leistungsabgabe des Motors wird durch das Schalten unterbrochen. In Bild
1\1-39ist so ein nachträglich montiertes Steuergerät an einem Get riebe zu sehen. Die Wi r-
kungsweise beschrei bt Bild M~40.
3 Getr iebe
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Bild M - 38 Messdaten eines Tour enwagens beim Hochschalten vom 2. in den 6. Gang [M17].
Das Hochschalten erfolgt vollautomatisch beim Erreichen der Höchsterehzahl Oie Kupplung bleibt da-
bei geschlossen. die Drosse lklappe ist im mer vo ll geöffnet, nur der Zündwinkel wird beim Schalten zu-
rückgenommen.
Bild M-39
Sensorbo x eines Schaltgerätes
(KlS-Ge rät appl iziert an Formel
3000 Reynard m it Judd VB).
Diese Einrichtung ermög licht
zugkrattfre ies Schalten ohne
Kuppe ln. Beim Betätigen de r
Schal tung leitet die Sensorbo x
(KlS) ein Signal an dasSteuerge-
rät und die Motor-Zünd ung wi rd
unterb rochen, bis der Scha ltvor-
gang abgesch lossen i st.
•
max. Weg des gezo-
neutrale s cnart •
<, gene n Schalthebel s
hebelstell u~g _
'<'"",
r t /--'--
<'Oe "--
-1._ .
/ '-----
'<,
-
-
::0-::-;;:7V~~~o/7f~)?<~-~- .
7"7 Zundu ng au s U...-? - <"
max• Weg des se -
///////... --"2
.-«."
druck ten Sch althebels
Bil d M -4 0 Scha ltvorgang mit Zünd unterbrechung. Schema [M10J.
Beim Schalten w ird aus d er Neutralstellung des Hebels beg innend zuerst die Stellung . 0 " erreicht. An
dieser Stelle ist das erste Mal eine Krafterhöhung zu spüren. die Scha ltwa lze/-gabel beginnt sich zu be-
wegen. Bei . 1" wi rd die Zündung abgeschaltet. bts in Stellung . 2 " der Gang eingelegt ist und d ie Zündung
wiede r aktiviert w ird.
1665
MAnt riebs strang
Das Runterscha lten erfolgt in der Regel mit geschlossene r Drosselklappe und geöffneter
Kupplung, damit das Get riebe vom Motorbremsmoment frei wird . Wird zu früh, also bei
relativ hoher Geschwi nd igke it. z ur ückgeschaltet . ka nn de r Moto r bei m Wiede rei nkuppel n
überdrehen. Das kann zur Zerstörung des Motors führen ode r auch zum Blockieren der
An triebsrä der. Beides m uss unbedingt verhi ndert we rde n. Bei a utom atisier te n Sys te men
errechnet daher J as Steuergerät die Motordrehzahl nach de m Ga ngwechsel und lässt diesen
nur dann zu. wenn diese Drehzahl unter dem zulässigen Limit liegt. Zum leichteren Durch-
schalten kann der Motor und die Getr iebewelle wäh rend de r Neutralstellung im Getriebe
beschleunigt werde n. Daz u gibt der Fahre r bei ma nuellen Getrieben Zwischengas und bei
automatisierten Systemen übernimmt dies das Steuerge rät mit Hilfe des elektr ischen Dros-
sclkl uppcn stcllcrs oder eines so gena nnte n Blippcrs .
Noch besser ist eine Schaltung, die ohne Unterbrechung der Zugkra ft eine Übersel-
z ungs ändcr ung ermöglicht. Solche so genannten Lastsc haltgetriebe sind beispielsweise her-
kömmliche Automatikgetriebe und Doppelkupplungsgetriebe. Bei diesen sind beim Schal-
ten zwe i Getriebestufen gleichze itig im Eingriff, allerdings wird durch Reibkupplungen ein
notwendiger Schlupf zugelassen. Die vorhergehende Getriebest ufe wird also ausge kuppelt.
während die nächst höhere eingekuppelt wird. Die Zugkraft wird dabei nie unterbrochen
und da s Fahrzeug besc hleun igt auch währe nd des Schaltcns weiter. Hitd M-41.
Stufenlose Getr iebe er möglic hen eine kontinuierliche Übersetz ungsänderung und damit
einen Verlauf der Zugkraftänderu ng ohne Knicke. Bei st ufenlosen Getr ieben (z. B. CVT-
Getr ieben) sieht der Verlauf der Zugkraft und de r Fahrzeuggeschwi ndigkeit also aus wie de r
..ver rundete" Verlauf von Bild M~41.
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Bil d M-41 Hochschallen ohne Zugk raftun terbrechung seemtess upshift.
Die Zugkraft w ird während des Schaltans nicht unterbrochen . sondern nur durch d ie Übersetzungsän -
de rung reduzier t. Das Fahrzeug beschleun igt während de r Schaltzeit tscnan weiter.
üop pelk upp tungsger r te be t win-c lutch gearb ox. Ein Doppelkupplungsget riebe e r möglicht
Schalten oh ne Zugkra ftunter brechung. lm Gru nde bes teht das Getr iebe aus zwe i Schaltge-
trieben, die auf einen gemeinsa men Achsantrieb eing reifen. Bild :\1-42. Das Motormoment
wird über eine Doppelwelle (3) in die beiden Getr iebe eingeleitet. Zwei unabhängige Kupp-
lungen verbinden oder trennen die Kern- und die Hohlwelle mit dem Motor. Die Gänge sind
so aufgeteilt. dass die Kernwelle die ungeraden Gäng e (I , 3, 5. R) bedient und die Hohlwelle
die geraden (2. 4, 6). Durch diese Aufteilung können genau aufeina nder folgende Gänge
zu r g leiche n Zeit eing elegt se in. Eine elektronische Steue r ung der beiden Kupplungen so rgt
2
R56
3\ ~I~ ~I 1-K~
12 K~'
'--f+--H I I I
tl-cJL-J I I
Jf1111ir11~
-~"'--Pf-t..---
3 Getriebe
Bild M ·42
Schema e ines Doppelku pplungsgetriebes .
1 Abt riebswelle 1
2 Abtr iebswe lle 2
3 Doppeleingang swe lle
4 Achsantrieb
Kl , K2 Kupplungen
Das M otormoment wi rd entwed er überdie KernweI-
le (Kupplung K1 geschlossen) oder üb er die Hohl-
w elle (Kupplung K2 geschlossen) auf die ents pre-
che nden Fest räder übertrag en. Der A ch sa nt rieb (4)
wird von b eiden Abtriebswellen (1, 2) be aufsc hlagt.
DieLo srädervom 4. und 6.Gang kämmen mit dem-
se lbe n Festrad. Dadu rch wi rd B au länge gespart.
M
dafür, dass imm e r nur eine Kupplung voll geschlossen ist. also ein Gang aktiv ist. und
ruf einen zugkraftfreien Übergang von einem Gang zum nächsten. Im letzten Fall wird
gleichzeit ig eine Kupplu ng ge schlosse n. während d ie a ndere geöffnet wird. Die Kupplungen
werden elektrohydra ulisch betät igt. Die innere Schaltung erfolgt gleich wie bei übliche n
Schaltgetrieben . Dennoc h ergi bt sich ein zu sätz licher Vorteil aus der Pa ra llela nordnu ng de r
Abtr iebswel len. Die Scha ltzeiten könne n wesentlich verk ürzt werden . weil ja der folgen-
de Ga ng eingelegt wird. währe nd der vorhergehende aktiv ist. Das eigentliche Umschalten
er folgt später übe r die Kupplunge n. wenn es gew ünsc ht w ird.
Wenn auch ein Vorteil das Schalte n ohne Zugk raftunterb rechung ist. so wird doch auch
m it Unte rbre chung gesc haltet. Je nach Scha ltungsrichtung (Hinauf- oder Hinunter schalten )
sowie Vorz eichen des Drehm o ments (Zug- oder Schicbcbctricb). werde n auch Schaltungen
vor te ilhaft mit Zugk raft unterbrech ung durchge führt.
Die Zu ve rlässig keit des Gesa mtsystems ste ht und fa llt m it de r Einbi ndung intel ligente r
Steue rsoft- und Hardwa re. Verspa nnungsz ustä nde in de n Teilgetrieben sind ein Risiko. das
dieses Konzept pr inzipbedi ngt birgt und de nen entgegengew irkt werden muss. Ein Verspan -
nungsz usta nd tritt u. a . dann auf. wenn in beiden Teilgetrieben ein Gang ei ngelegt ist und
beide Kupplungen ein Drehmo ment über tragen . lrn Sc hiebebet rieb e rhöht sich dad urch das
Brems moment des Motors de utl ich. Selbst ei n kurzze itiger Verspa nnungszust and « 100 ms )
kann bei niedr igen Re ibwe rten zu m Blockie ren de r A ntriebsräder und da mit zu m Ausbre-
chen des Fahrzeugs führen [M26]. Dieser Zustand muss also unter allen Umständen ausge -
schlossen werden .
Die A nord nung der Wellen und Radsätze eines Doppelkupplungsgetriebes zeigt Bild
\ 1-43.
Solche Get riebe w urde n schon in den 19XOer Jah ren im Renns port eing esetzt. Als PDK
(f orsche D.oppelk upplungsgetrieb e l ka m es im Sportprototyp Persehe 956 und im Audi
Sport Quattro SI zum Einsatz. Vor allem die Kombination mit den aufgeladenen Motoren
ließ die Vorte ile de utlich zu Tage t rete n. Beim Scha lten kon nte de r Laded ruck e rhalten blei-
ben. was sich in einer Reduzier ung der Rund enzeiten bemerkba r machte. Das Mehrgewicht
des Getri ebes w urde dam it mehr als kompensie rt [M26].
1667
MAnt riebsstrang
Bild M·43
Wellen und Radanordnung eines 6 -Ga ng Doppel-
kupplungsgetrie bes .
Das Getriebe entsprich t dem aus dem Bild M- 42 .
Im Vorde rgrund ist die Ab triebswelle 1, also jene
d ie die unge raden Gänge t reibt. Die beiden Ku p p-
lun gen, we lche a uf den Doppelwel len sitzen , sind
n icht darges tellt.
Za h nräder gear. Die Za hnräde r im Ren ngetriebe wer den gc radvc rza hnt ausgeführt . Bei
Pkw-Anwendu ngen sind üblicherweise sämtliche Räder schrägve rzah nt mit Ausnahme
des Rückwä rtsga ngs. Die Schrä gverza hnung wird in erste r Linie wegen de r geringeren
Geräuschbildun g einges et z t.
Zah nräder werde n a us Gew ichtsgründen zeit fest a usgeleg t. Die Lebensda uer de s ges a mt-
en Getriebes liegt im Bereich einiger wenig er Stunden. Dabei werden natu rgemäß nicht alle
Räder gleichermaßen ausgelastet, sondern im Gegenteilje nach Strecke und Gang ist die
Belastung e inzel ner Räder völlig unterschiedlich. Bild ~1-44 zeigt beispiel haft das Lastkol-
lektiv (s. A nhang) für den 5. Ga ng eines 7-Ga ng-Längsgetriebes eines For mel-i -Wagens .
Zum Ve rgleich ze igt Bild M -45 die Ze itanteile für die einzel nen Gä nge ein es Pkw-S,
Gangget riebes.
1,2
,,0
z
0,6 ~
.
-
0,6 •
•c
0,_
•
•
.
-
0,2 •N
0
Bild M-44
Last kollektiv für den 5 . Gang
e ines Fotmet-t -Getriebes [M12].
Die Häufigkeitsverteilung der Be -
lastung des Zahnrads wird über
Einga ngsd rehzah l un d Drehmo -
me nt aufgetragen . Man erkennt,
dass diese Getr iebestufe nur
einen Bruchteil der Gel rieb ele -
bensda uer (- 10 0 % ) belastet
wird. Die Werte wurd en mit ei-
nem damals üblichen 3.0 -I -V10-
Moto r ohne vorgegebene Dreh -
za hlgrenze ermittelt.
6681
3 Getr iebe
M
40
o
1.2.3.4.5.
Gang
Bild M·45
Ze itanteile für die einzelnen Gänge eines S-Gang-Pkw-Getriebes
auf berg iger Landstraße. nach [M11].
Die Gänge 3 und 4 sind am hä ufigs ten im Einsatz . Der erste Gang
wird am seltens ten benöt igt.
Von den Hauptabmessungen eines Zahnrads , Wälzd urchmesser und Zahnbreite. ist vor allem
die Breite entschei dend , weil sie die Gesamtlänge des Getriebes direkt beeinflusst. Wird
z. B. I rnm Breite an den Rädern eingespart. wird ein einst ufiges 7-Gang-Gctricbc um 7 mm
kürzer. Bei de r Lebensdauerabschätzung von Zahnrädern ist die Art der Betätigung von
Bedeutung. Bei manuell geschalteten Getriebe n besteht die Gefahr des Versch alrens beim
Heruntersch alten. Wird ein zu niedriger Ga ng ei ngelegt. vers uchen ja die Antr iebsräder
den Moto r gegen seine Trägheit hochzud rehen. Wie groß die Kräfte du rch die Übersetzung
dabei werden können, erke nnt man am kurz fristigen Blockieren de r Räder. Einige solche
vcrschah man övcr muss das Get riebe ertragen können und die Zah nräder müsse n da rauf
dimensioniert werde n. Auto matisie rte Getriebe verhindern über die Logik des Steuergeräts
Fehlschaltungen und die Zahnräder können auf die Betr iebskräfte ausgelegt werden. Die
Leistungsg renze ei nes Zahnradp aars hängt von de n möglichen Ausfallsursac hen ab. Diese
können in vier verschiedene Schadensmechanismen eingeteilt werden. Bild ,'\1-46.
Ein Zahn wird durch den Gegenzahn gebogen. Wird die Biegespan nung im Zahnfußbc-
reich z u g roß, wird die Zahnb ruchgre nze erreicht und der Zahn bricht ab. Die Grübehcnb il-
~
c
•E
o
E
~
•L
-c
N
C
•L
"
Gebiet ohne Schlden
,
o 0,3
1
10
umfangsgeschwi ndig kei t
50
Im/s]
Bild M·46
Tragfähigke itsg renzen von Zahn rädern .
nach I M11].
Die Gren zen de r Tragtäh igkeit von Zahn rä -
dern werden durch ih re unte rschied lic hen
Ausfalls ursachen festge legt.
1669
MAnt riebsstrang
d ung ist eine Ermüd ungserscheinu ng des Werkstoffs. Grübchen äußern sic h durch fläch ig e
Ausbrüche an den Zahnflanken meist unterhalb des Wälzkreises. Versagt d ie Schmier ung
im Zahneingriff kommt es z um Fresse n de r Laufpa rt ner. Je nach Umfangsgcschwindig-
kcit sp richt man von Kalt- bzw. Warm fressen. Dabei ist Kaltfressen (Überschreiten de r
Vcrschlcißgrcnzc ) ei ne rei ne Verschleißerschei nung und tritt an Getrieben selten au f. Bei
hohen Umfangsgeschw indigk eiten ka nn der Sch mierfi lm d ur c h große Belast ung o der Tcm -
pcratu r zerstört werden. Dadurch kommt es zu metallischer Berüh rung de r Zahntl ankcn
und zum Fresse n.
Die Leistungsgrenzen von Za hnräde rn werde n wese ntlic h be e in flusst von den Bet rieb s -
bedingu ngen (Art der Belastung. Umfangsgeschwi ndigkeit. Temperatur). von der Werk-
sto ffauswa hl. d e r Verza hn u ngsgeo met rie. de r He rstellge nauigkeit . de r Oberflächenbeha nd-
lung u n d der Obcrfläc hc n rau higkcit sowie d em Schmierstoff
Die gängige Berechnu ng der Zahnräder fußt hauptsächlich auf empirischen Verfahren, die
genormt s ind (z. B. D IN 3<)90, ISO 6336, AGMA 2( 0 1). Bei Renngetr ieben we rden aber
nicht genormte Verza hnungen bevorzugt. weil nur so Gewicht spare nd an die Leist ungs -
grenze hera ngega ngen werden kann. Die Zahnprofile werden mittels FEM-Be rech nung
(siehe An hang) auf ih r Verhalten unter Last optimiert und können durch CNC -Bearbei-
tungsmasch incn auch realisiert we rden. Das Lebe nsdauerende einer Verza hnung wird dan n
durch den Verschleiß im Betrieb bestimmt. Je mehr sich die tatsächliche Zah nform vom
berechn eten Verlauf entfernt . desto eher müssen die Räder ausget auscht werden. Werden
sie nicht ausgetauscht. kommt es je nach Belastung früher ode r später zu m Versagen, vor-
neh mlich durch Zahnbruch.
Eine wichtige Größe be i de r Gestaltu ng vo n e in- u nd zwe ist ufigen Ge trieben ist der Ac hs-
abstan d. Der Ac hsa bstand wird d urc h den Gang mit der größte n Drehmome ntsteigeru ng
festgelegt (I. Gang). Je kleiner der Achsabstand sein kann. desto kleiner baut das ganze
Getr iebe. U ntersuchu ngen a n Ser iengetrieben haben folgenden Z usa m me n ha ng zur G ro -
babsehätzung des Achsabstands ergeben [M11]:
a
Achsabsta nd [m m]
iG•ma
,
größte Getriebe übersetzu ng l -J
Tl
Ge triebeei ngangsdre hmo me nt [Nm}
Auch d ie Getriebe masse lässt sich aus solc hen Serienuntersuchu nge n grob abschätzen:
nI{j = O. 49(ie;.max
.
]j )O.5H ) 0.29
nie; Getriebemasse [kg], gilt für Gehäuse aus
Grauguss
) Anzahl der Gänge [-I
Für einen ersten Entw urf lässt sich der Achsabstand wie folgt errec hnen IM11]:
u=0,255'_
, ]j(u+1)4
U
TI Moment an der Welle, aufder sich das Ritzel
( Klci nrad) de s I. Gangs befi ndet
11
Zähnezahl verhältnis des Radpaars des I. Gangs (- ]
3 Getr iebe
Bei gegebenem Achsabs tan d folgen die Wälzk reisd urchmesser kämmender Zahnräde r aus
dem gewü nschten Überse tz ungsverhält nis d ieses Zah nradpa a rs.
ic'=~=d2
iOj
Getriebeübersetzung des Ga ngs) H
~
.~
J,j
n2 d]
n l ' n z Eingangs- bzw, Ausgangsdrehzahl der Wellen
:-'-J
2/1
d l ·d2 wälzkrcisdurchrncsscr dcr Zahn räder [mm] / , ~, ":.L
dl=--
a
Achsabstand [mm]. a '" O.5(dl + dz)
\" ','0t:1
1+ iGJ
...... .. .
e
Die Zahnbreiten können für eine n ersten Entwurf aus den in der Praxis gebräuchlichen
Breiten -Dur ehm esser-Verhä ltn issen h l d l e r m itte lt werden. Die Verhält nisse werden in den
einzelnen Gängen unterschiedlich gewählt. dam it ungleiches Breitentragen minimiert wird.
Hild M-47.
M
-ö0,8
-
'"
0,2
o =-' - -'- - -LLL.Lli--'- -'- - -LL
K12345R
Gang
b
-r~~'-
~
,
J_ __
Bild M·47
B reitenverhältnis ausge führ ter Pkw- und
Nlz-Getr iebe, nach IMl1].
Die einzelnen Gänge sind m it 1, 2. 3. H' R (Rück-
wärtsgang) und K für konstante Übersetzungen
(also Zahnradpaare. d ie permanent ein Moment
übertragen) bezeichnet.
b Zahnrad breite
d1 Teilkreisdurchmesse r des Ritzels (K leinrad)
Lage r bearing. Für Lageru ngen in Getriebe n werden sowoh l bei Pkw als auch bei Rennfahr -
zeugen durchwegs Wälzlager herangezoge n. Ein Unterschied zw ischen den Anwe ndun gen
ist der Einsat z von Hybridlage rn im Motorsport. Bei Hybridlage rn bestehe n d ie Wälzkör per
aus Keram ik (z. B.Siliziumnitrid) und die Ringe aus Stahl. Ähnlic he Lager werden auch für
die Radlager ei ngesetzt . Kapitel H 3.4 führt das näher aus .
Folge nde Anforder unge n werden an Get r iebelager ges tel lt:
ge ringes Gew icht: Red uzier t die Gesam t masse und vor alle m d ie rotierende n Massen ,
geri nges Reibmoment.
geri nger Baurau m.
höchste Zuverlässigkeit .
geri nger Ölbcdarf
ei nfache Montage.
Ein geringes Gew icht und vor allem die rot ierende Masse, de ren An teil an der Bewegu ngs-
energie des Fahrzeugs ja mit dem Quadr at der Übersetz ung eingeht . sind von Bedeutu ng.
wenn rasch gescha ltet werden soll. Die Getr iebewelle d reht mit Motordreh zahl und erreicht
m it Formel- I-Motoren so bis 19000 min - I
.
Ist die Reibung der bewegten Teile klein . wird wenig Wär me freigeset zt und die Motor-
leistung kommt verlustärmer an den Ant riebsrädern an.
MAnt riebsstrang
Ein geringer Bauraum der Lager ermöglicht auch ein kleineres und damit steiferes Getriebe.
Ein schlankes Getrieb e im Fahrzeugheck eines Mittelmotorwa gens stört die Aerodynamik
weniger, kurz e Getriebe lassen bei Que rmoloren mehr Bauraum filr Motor und Fahrw erk.
Lag er sind kritische Ba uteile im Get riebe. Die Leben sda uerder Lager wird a n d ie Bed ür f-
nisse angepasst. In der Formel 1 reichen beispielswei se cu. 200(Jkm.
Ein geringer Ölbcdurf vereinfacht den konstruktiven Aufwand für die Schmierung. ln
man chen Anwcnd ungsfällcn komm en Hybridlager oh ne Zwan gsschmi erung aus , es reicht
der vorha nde ne Ölncbcl [M03]. Dadurch können di e Ölpumpe n in ih rer Fönlcrlcistun g
reduziert werden . womit de r Gesamtwirkungsgrad des Get riebes erhöht wird.
Die Montage de r Getriebelager ist deshalb von Bedeutu ng, weil die Getr iebe oft zerl egt
werden und die Lager zentrale Teile sind. die die Lage der Zahnräder zueinander und de r
Schalte lemente vera ntwort en. Erschwert wird diese Funkt ion dadurch. dass di e Gehäuse
aus Leichtmet all oder teilweise sogar aus Kunststoff sind. während die Wellen aus Stahl
hergestellt werden. Die Lager müssen deshalb auch die zwangsweise auftretende n Längen -
differenzen bei Temperaturänderu ngen ausgleichen. Bild ,\ 1-4H zeigt eine Lagerung für
eine Ocrrie be wette od e r Vo rgele gewelle bz w. Abtriebswelle .
Die Ax ialkräfte nim mt ein doppelreihiges Schräg kugellager (5) allerne auf. Dieses wird
mit einer Wellenmutter (4) gegen die Schulter des Ritzels verspannt. Ein Dista nzri ng (6)
überbrückt die Hoh lkehle zwische n Lagersitz und Schulter. Dam it ist ein einwandfreies
() ()
Bild M·48
Lagerung einer Welle mit Hyb ridlager, nach [M03].
Diese Lagerung einerVorgeleg eweIle eines Formel -
l-Getriebes ist für Hybridlager opt imiert. Das Fest·
lager ist ein SChrägkugell ager u nd das Loslager ein
Zylinderrol lenlager. d essen Rollen d irekt auf der
gehärteten W ell e laufen.
1 Zylinde rrollenlager mit Flansch
cyJindrical roter bearin g w ilh flange
2 wenenmutte r sren nut
3 Getriebewelle oder Vorgelegewelle
g earbox shaft or layshafl
4 weuenrnutte r shaf t nut
5 zw eireihiges SChrägkugellager mit Flansch
two-row angular-contact ball be arin g vom flang e
6 Distanzri ng spa cer ring
7 Zahnr ad (Los rad) g ear (idler)
8 Zahnrad {Festrad) ge ar (fixed)
3 Getriebe
Anliegen an die Schulter gewährleistet. Wege n des klei nen Abst ands der Kugelreihen arbei-
tet das Lager im ges amten Betriebstem perat ur bereich axi al und radial nahezu spielfrei. Der
Außenring des Lagers weist einen Flansch auf. Damit kann der Stahlring in das Leichtme-
tallgehä use geschra ubt werde n. Das verbessert den Kraftfluss in die Lagerwand und ver-
hind ert, dass bei hohen Temperat uren der Lageraußenr ing lose wird. was bei reinen Press-
sitzen der Fall sein kann. Am ande ren wellenende sitzt das Loslager (I), das die Welle nur
radial stützt Auc h bei diesem Lager ist der Außenring über einen integrierten Flansch an
die Gehäusewand geschraubt. Das Lager ist besonde rs kompakt , weil es keinen Innenr ing
besitzt und d ie Zylinderrollen direkt auf de r Welle lau fen. Die Teile, welche auf der Welle
sitze n, wie Zahnradnaben der Losräder und Festräder werden mit einer Wcllenm utter axial
vorgespannt. Die Dreh verbindung übern imm t ein Keilwellenprofil.
wellen shafis. Für einen ersten Entwurf eines Get riebes sind neben de m Achsabstand die
Wellendurchm esser bedeutend. Der Wellendurch messer einer Vollwelle ka nn überschlägig
aus d e m Verg leichs moment e r mittel t werden:
M
st; = ~M~.max +O. 75(a o Tmax)2 u, Vergleichsmoment [Nm]
Mb Biegemoment [Nm]
«o Anstrengu ngsverhältnis [-I. abhängig vom
ze itliche n Belastu ngs verlauf
« o = (azul(a)!cJzul(T» .
Hä ufig e Fälle si nd:
" o= I für abwechselnd undTb wechselnd
Uo= 0 ,7 für o b wechselnd und TISschwellend
T Torsionsmoment
Mmdcstwcllcndurchm csscr [mm]
z ulässige Biegespan nung [N /mm2]
Z a hnradget r iebe re ag ie re n auf Ver for mungen d e r Wellen sehr e mpfindlich. Kaurentragen
in den Lage rn und Verka nten von Zahnrädern kön nen die Folgen sein. Besonders bei brei-
ten Zähnen und großen Wälzd urchmessern wi rken sich Abwe ichunge n de r Welle von de r
Soll1age spürba r aus. Die Anforderungen an die Wclle nsteifigkeit sind daher hoch . Anhalts-
wer te für die zu lässige Durchbiegung und Biegewinkel für Getriebewellen können Tabelle
:\1-4 entnommen werden.
Tab . M -4 Zu lässige Durch biegung und Biegew inkel fü r Wellen von Zahn radgetri eb en [M 11].
Welle n
Durchbiegung
allgemein gilt fü r s 0.Q1 mn
Zahnr äder
mn Normalmodul
Anhaltswert e für s 0.02 crs 0.06 mm
Verzahnungen
Biegewinkel ß
2·dw
ta n ß'"I :s rrr-r
10 .b
dw Wälzkreisdurchmesser
b Zahnb reite
tan ßZUI s 0.005 für Stirnräder
tan ßz ul S 0,001 für Kegel räder
MAnt riebsstrang
Die Ausleg ung erfolgt au f Betriebsfestigkeit. Nu r so kann ei n gewichtsg ünst iges Getri ebe
dargestellt we rde n. AufGru nd von Lastkollektiven (s. An han g) erfolgt die Ausleg ung unter
Berücksichtigung de r Wegan teile in den verschiedenen Gä ngen auf die gewünschte Lebens-
dauer hin.
Zusät zli ch mü ssen Schwi ng ungen im Ant riebsst rang berü cksi cht igt werden. Dynamische
Effekte führen zu erheblichen Spa nnungsspit zen und Verformu ngen (vgl. au ch Bild M-7X).
Besond ers interessant sind in dem Zu sa m menhang krit ische Dreh za hlen. Unw uchten erzeu-
gen bei der Drehung zusätzliche Massenkräfte, die Schw ingu ngen her vorrufen. Get riebe -
wette n mit mehreren umlaufenden Zah nrädern und Schalteinrichtungen haben mehrere bie-
gekritische Drehzahlen. Je nach Ausprägung treten zwe i Art en von Schwing ungen auf:
Torsionsschwingu ngc n: n iede r- u nd hochfreq uent e Schwingu ngen in ers ter Linie durch
den Verb rennungsmoto r angeregt.
Bieges chwin gu nge n. höherfrequent e Schwingungen vo n Well en. Angeregt durch Un-
wuchten und Zahnci ngriffe.
Damit Getri ebewellen bei der gewünschten Lebensdauer möglichst leicht bauen sind bei
ihrer Gestaltung folgende Forderu ngen z u berücksichtigen [M 11 ):
1. Ker bstelle n ver meide n.
2. Biegem omente herabsetzen .
3. Kritische Dreh z ahlen heraufset zen .
Typische Kerbstellen an Wellen sind Gewinde. Querbohrungen. Absätze bzw. Bunde. Nuten
für Sicherungsringe. Nuten für Sicherungsbleche und Nuten für Fede rn sowie Keile. Fol-
gende Ge stalt u ngs regeln helfe n dies e Forderu ngen z u erfü llen . Bild :\1-49 :
Lagerabst ände durch gedrängte Bauweise verringern.
sta rk be lastete Zah nr äder d icht an Lager setzen. damit Dur chbiegunge n und Biegetrio-
mcnt c red uziert werden und die biegek ritisc hen Drehzahle n hoch liegen.
bei Durchmesser übergängen d as Verhält nis Dld '" 1,4 nicht überschreiten . Außerdem die
Übergänge mö glichst nicht mit wcllcn schultcr, so ndern kon isch oder mit Rundun gsradi-
us ausführen. Bild M-4 9a .
Keilwellen ve rbindu nge n oder Öl prcss vcrbändc eine r Pas sfede r-v erbi ndu ng vorz iehe n.
Bild M-4% . Ein leichter Übersta nd de r zy lind rischen Nabe über den Wellensitz verrin-
ger t d ie Kerbwirku ng.
Rechteck-Ringn uten durch Entlastungskerben oder Ausru ndung der Innenkanten ent-
sc härfe n. Bild M-49c. Zur Gestaltung von Axia lsicheru ngen von Naben siehe auch Bild
M-9X.
Sicherungsringe möglichst nur am Wellenende anordnen. im mittleren Wellenbereich zur
axialen Sicherung Dista nzhülsen verwenden.
Herabsetzung de r Kerb wirk u ng a n Wellen ahsät zen Bild M-49d : I Entlast ung ske rbe am
Überga ng du rch au sgerundete. axiale Einstcchnut; 2 großer Aus rundu ngsradius: 3 radi -
ale Enrlastu ngskcrbcn : 4 zusätzliche Kerben im Übergangsbereich.
Wellen mit aufgesetzter Nabe am Nabensitz verdicken. großen Übergangsradius vorse-
hen und Nabe ndicke zum Rand hin verringern. Bild M-4ge.
Querb ohrungen werden entsc här ft durch Entlastu ngskerben neb en der Bohrungsmün-
dung. durch Vergrößeru ng des Wellendurchmessers mit großen Übergangsradien oder
durch Nachpressen der Bohrungsränder mit einem ebenen Dr uckstück. Bild M-49f.
ijl
- ' -+-'+-' -'
~II
b
~~
~CL1P.
c
e
/
f\
~.
~
00
3 Getriebe
M
Bild M-49 Reduzierung der Kerbwirkung an Wellen.
Allmähliche Übe rgänge und Ent lastungs kerben he lfen den Spannu ngsverlauf in der Welle zu verqleichrnä -
Bigen und so die Spa nnungsüberhö hung an den K erb en klein zu halten. Zu besseren Vorste llung sind be i
manchen Abbildungen die Kraf tlinien dargestellt.
a llmä hliche Kraftu m lenku ng durch Entlast ungskerben. Bild M-49g.
Wellen mit ei ner Betriebsdre hzahl ab ca. 1500 mi n -t so llen präzise ausgewuc htet sein,
um Fliehkrä fte und dami t verbu ndene Biegeschwi ngungen klein zu halten. Ausw uchtgü -
te V DI 2060: QO,4 bis Q1600 (10 Gü tegruppen).
Masse nträghei ts moment der aufde r Welle befestigte n Baute ile reduzieren. um Durc hbie-
gu ngen zu vermindern und kritische Drehzahlen heraufz usetzen.
Tabelle M-S gibt ei nige Kerbwirku ngszahlen (s. A nhang) für ty pische Unstet igkeitsstellen
bei Wellen an. Man erk ennt . dass r unde Nuten wesentlich geringere Spannu ngscrhöhu ngen
bewir ken als Rechteckn uten und das sowohl bei reiner Biegung als auch Torsion.
Pressverbä nde sind im Sinne ei ner gleich mäßigen Wellenbeanspruchu ng wesentlich gün-
st iger als Keil- oder Passfede r-Verb indung en. Es lassen sich aber auch bei Pressve rbänden
du rch die Gest alt ung von Welle und Nabe die Spann ungserhö hungen bei Kerbe n weiter
reduz ieren, Tabelle I\f-6 . In de r Tabel le wird ein einfac her Press verband eine m günst iger
ges taltete n gegenü bergestellt . Im Wesent lichen ist die Gestaltu ng des Überg angs zwische n
verschiedenen Quersc hnitte n ma ßgebend fü r den Spannu ngsvcrlauf. Im Fall einer reine n
Biegung ist die vergleichbare Spannungserhöhu ng immer größe r als bei reiner Torsion. Wei-
ters ist aus der Tabelle z u sehen, dass mit zu nehme nder Festigkeit des Werkstoffes (Rm) d ie
Kerbempfindlichkeit unabhäng ig von de r Belastu ngsa rt ( Biegung, Torsion) zun immt.
MAnt riebs strang
Tab . M-5 Kerbwirk ungszahlen b ei Wellen, IM31].
Art der Kerbe
Kerblorm
Kerbwirk ungszahl K f [-]
bei Bi egung
bei Verdr ehung
«I
Rundkerbe
tHE!i 1,5 bis 2
1.3 bis 1.8
Sicher ungs ring
m 2.5 bis 3.5
2.5 bis 3.5
~ ca. 1,5
ca. 1,25
We llenabsatz
bei R/d- 0.1
be iR ld -O,1
und d IO -O.7
unddIO- O.7
_
L.
Querbohrung
~ 1,4 bis 1,8
1,4 bis 1.8
beidlD- 0.14
be idID - O.14
Pa ssfed ernut
~ 1.6 bis2
1.3
A uslaut n ut
~ 1.3 ors 1.5
1.3 bis 1.5
Nabensitz m it Pa ss-
e--
2 bis 2.4
1.5 bis 1.6
teoer bzw . Keil
ssssss
Tab . M -6 Kerbwi rk ungszahlen für Wellen mit Pressverband [M 31].
N ab enform
Passung Kerbwirkungszahl Kj H
Rm [N/mm2] 400
.00
.00 1000 1200
9 Biegung
1.8
2,1
2,5
2,8
2,9
He/uS
Torsion
1,2
1.4
1,'
1,'
1,9
B iegung
1,0
1,1
1.2
1,3
1.4
H8/uB
Torsion
1,0
1,0
1,1
1,2
1,2
676 1
3 Getr iebe
Bild M - 50 Getr iebewelle.
Die Welle i st die Getriebee ingangs welle des Ferran Fl -2000 Sieben -Gang -Getriebes.
Wellen können vorteilhaft hohlgeboh rt werden. Beträgt de r In nendurch messer etwa die
Hälfte des Außen durchmessers. so wiegt die Hohlwelle nur 75 % der Vollwelle. weist aber
noch 95 % des Widerstand smom ents gegen Biegu ng u nd Torsion einer Vollwelle auf. Bild
:\ 1 ~50 ze igt beisp iel haft eine Getr iebewelle eines Sch altgetr iebes .
Die Kuppl ung sitzt au f einem eige ne n wellenteil. der das Motor moment übe r die Steck-
verzahnung am linke n Ende einleitet. Ein Rund-Sprengring sichert die Kupplu ngswe lle axi-
al. Auf der Wel le sind die s iebe n Festräder angeordnet. Diese üb e rt ragen d as Drehmome nt
übe r eine du rchgehe nde Kerbverza hnung. werden mit Hülse n au f Abstand gehalten u nd
über einen aufgepressten Ring gege n einen Welle nbund gedrückt. Die Verzahnu ng für den
Rüc kwär tsgang ist d irekt in die Welle geschn itten (rechtes End e), ebe nso wie der Antrieb
der Ölpumpe (letzte Verzahnu ng rechts). Am rechten Ende ist innen ein Sechsk aut einge-
stoßen . Die Welle de r exte rnen Sta rtvor r icht ung wird über ei ne Ö ff nung im Ger nebege-
häusc in d iesen Sechskaut eingesteckt. Die Welle ist an de n ei ngezeich neten Stellen mit
zwei Zylinde rro llen lage rn gelagert (dü nn d a rg estellt ). An den äußeren Enden wird sie übe r
Wel len dicht r inge gedic htet.
Sc h mieru ng lubricution. Der Schmieru ng kommen zwe i Hauptau fgaben z u. näm lich die
Tren nung zwcicr gege neinan der bewegter met a llisch er Lauffl äche n (die eigentliche Schmie-
r ung) und d ie Abfu hr de r Reib ungswärme. Während f ür die Schmierung im Nor malfa ll
e in Ölnebel a usre icht. ist für d ie Kühlu ng je nach Einsatz bedingungen u nd gefo rde rter
Leb e nsd a uer eine gcaicltc Zu- u nd Abfuhr g rößere r Ölmengen er forderlich. Re nn ge t r iebe
weise n im Allg e meinen ei ne Troc kensumpfschmie rung auf. Eine Saugp umpe fö rdert d as
im Gehäuse zu rücklau fende Öl über einen Zyklon als Luftabscheider und eine n Ölkiihler in
e inen vorratsbchältc r, der innerhalb des Getr iebes u nterge bracht ist. Von do rt fließt es durch
die Sc hwerkraft zur t iefer liege nde n Druc kp u mpe. Die u rsp rü ng lichen Außenzah nradpum-
M
MAnt riebs strang
pen wurden durch Innenzahnradpumpen mit Kreisbogenverzah nung (Gcroror, Duoccntric
us w.) ve rd rä ngt. Diese sind selbstansaugend. können Luft förde r n u nd si nd u ne mpfindlich er
gegen Kavita tion. Ein Nachteil diese r Pumpen ist die Schmutze mpfindlichke it. Unver me id-
bare Metallspäne können zum Blockieren der Pumpe führen. Deshalb werde n die Spalte
mit etwa 0,2 mm zwischen Innen- und Außenläufer größer als üblich gewählt. Die Fördcr-
drücke liegen im Bereich von 2 bar. Das Sch micröl wird direkt zu den Hauptlagerstellen
gefordert. Dazu werde n neben Bohrungen im Gehäuse auch die Hohlwellen benutzt. Ein
schnellla ufendes Hybridlager hat je nach Lagergröße ei nen Ölbcdarf von 20 bis SOmmv h
[M03]. Lage r. d ie zwa ngsgesch miert werden, bra uche n a uch ei nen definierten Ölablauf.
Der Durchmesser von Ölablaufbohru ngen soll mindestens 8 mm betragen und ergibt sich
überschlägig aus [M25]:
dAohrung Durchmesser de r Rücklaufbohrung [mm]
V
Volumenstro m des Sch mieröls [I/min ]
Die Zahn ei ngriffe und die Kontaktstelle n der Schaltgabeln werden über Spritzd üsen und
Röhrchen mit rad ialen Boh rungen gezielt mit Ölnebc1 versorgt. Bei den Zähnen ist vor allcm
die Kühlung lebensdauererhöhend. Der Ölstra hl wird dab ei auf die austretenden Zah nftan-
kcn gerichtet. An der Austrittsseite ist der Kühlbedarfja durch die zuvor erfolgte Reibarbeit
höher. Das von den rotierenden Teilen abgcschlcudcr tc Öl sch miert und kühlt die übrigen
Räder und Lagerstelle n . A n krit ischen Stellen werden Abwciscrblcchc (ha.IJfl' platt!) ange-
bracht. die das abgcschlcudcrtc Öl zur Einlassstelle der Saugpumpe lenken . Tieferliegende
Radsätze werden au ch mit Abschirmblechen (die natü rlich auch au s Kuns tstoffsein kön nen)
ummantelt und so vom freien Ölsumpf abgeschirmt. Lager von Nebenwellen können auch
vom Öl. das die Zahnräder förde rn. versorg t werden. indem eine Absrrcifrippc das aufge-
fangene Öl über eine Tasche in der Lageraufnahme des Gehä uses den Wälzkörpern zuführt.
ßi ld ;\1·51.
Bei der Entwicklung de r Schmierung von Get rieben stehen Ölvcrrcilung und die Küh-
lung im Vorde rgru nd. Entwic klungsziele s ind da he r d as Vermei de n von Planschve rlus ten .
die Reduktion der Ölvcrschäu mung und eine Verringe rung des Ölvolumens. I I Öl erhöht
die Fahrzeugmasse u m etwa 0.85 kg. Das Sch mierölvol umen kann b ei 7-G ang Formel- l-
Getrieben mit sorgfaltiger Gesta ltung auf unt er 1.5 I red uziert werden. Für das Qualifying
wird noch wen iger Öl in das Get riebe eingefüllt.
,
I
---- T
Bild M-51
Lagersc hm ierung.
Links: axonomemsche
Darstellung ohne Welle.
rech ts: Schnitt .
a Rippe
b Tasche
Das von der Rippe au/ge/ange-
ne Öl gelang t über die Tasche
zum Bereich zwischen Wälzla-
ger und Wellendichtring
678 1
3 Getriebe
Entlüftung ventitation. Die Wellend urchtritte durch das Getriebe müssen abgedichtet sein
damit das Schmic röl nicht ausläuft. Solche Durchtritte sind der Eingang der Getriebewei-
le und die beiden Austritte der Gelenkwellentöpfe aus dem Differenzial. Im Allgemeinen
geschieht dies mit Wellendichtri ngen. Diese könn en nur ei ne relativ geri nge Dru ckdifferen z
abdichten und bei großen Innend rücken erhöht sich zudem die Reibung der Dichtlippe auf
der Welle. was die Verluste erhöht und zur Zerstörung des Dichtrings durch den Wärmean-
fall führen kan n. Durch die Luft im Getriebegehä use erhöht sieh der Druck mit steige nder
Erwä rmung im Betrieb. Damit die Dichtu ngen in ihrer Funktion nicht beeint rächtigt wer-
den, muss als o ei ne Entlüftung de s Gehäuses vorgesehen ",verd en . Eine Entlüftung muss
folgende Funktionen erfüllen. Bei der Erwärmung des Getriebes muss Luft aus dem Getri e-
be entweichen können. da mit es zu einem Drucka usgleich kommt. Dabei soll das Entwe i-
chen von Ölsehaum bzw. -ncbcl vermieden werden. Beim anschließenden Abkühlen des
Getriebes bei Fahrzeugstillstand muss Luft aus der Umgebung in das Getriebe einströmen
können, damit sich kein Unterdruck bilden kann . Dabei soll keine Feuchtigkeit ode r Veru n-
rcinigu ngen in das Gehäuse eindringen. Meistens wird eine Entlüftung an der Obersehe des
Ocbäuscs von außen eingeschraubt. An de r Innenseite befindet sich ein angegossener oder
angenieteter Spritzsc hutz. falls die Entlüftung nicht selbst eine entsprechende Vorrichtung
enthält. Durch Umlcnkungcn des Luftstroms und durch Drosseln wird das Öl in der Entlüf-
tung abgeschieden und läuft wieder in das Gehäuse zurück. Gegen Veru nreinig ungen und
Feuchtigkeit wird ein Filterelement zwisc hengeschaltet. Bild ~1 -S2 zeigt beispielhaft eine
Einschraubcn tlüftung.
M
Bild M- 52
Getriebeentlüttuoq, nach [M l l ]_
1 Einschraubkörper
2 Spritzschutz
3 Filterelement
4 Entlü ftungskanal
Diese Entlüftung wird an der
Oberseite von a ußen auf das
Getriebegehäuse gesch rau bt.
Bild M-53
Teile eines screnceme ces.
Man erkenn t Los- und Festrä-
der, SChaltgabe ln, Losradnaben.
Nadellag e r und den stirnseitiqen
Deck el. d er Ein- und Ausgangs -
weile lagert.
MAnt riebs str ang
Ge häuse housing. Das Geh äuse nimmt alle Teile des Getriebes auf. s tellt m it den Lage-
rungen auch die Lage der Zahnräder zueinande r sicher und dichtet das System nach außen
ab. Außerde m stellt es die Anbindung zum Motor und in vielen Fällen auch zum Fahrwerk
her. Es kan n auch Flügel und Heckaufprallelemente aufnehmen. Folgende Anforderungen
mu ss ei n Gerriebegeh äu se also erfüllen:
Sicherstellen der ge w ünschte n Lage der Welle n u nd Za h n räde r zue in a nder.
Aufnah me der Betriebsk räfte und -momcntc,
w ärmeabfuhr gew äh rleiste n.
einfache Montage bzw. Demontage und Änder ungen von Übersetzu ngen ermöglichen.
ger inges Gewicht,
A nbindung an den Motor bzw . den Rahmen.
Zusätzlich ka n n da s G etriebegehäuse d as Kupplungsgehäuse und den Seh mie rölbeh älter
des Motors aufnehmen. Wegen der Komplexität der Gestalt bieten sieh z ur Herstellung von
Gehäusen Gießen und Verschweißen von Einzelteilen an . Da in jedem Fall eine Montage der
Wellen möglich sein muss, gibt es wenige g rundsätzliche A rten von Gehäusen, Ta belle ;\1-7.
Tab . M ·7 Arten von Getr iebegehäusen IM11].
Gehäuseart
Troggehäuse
'tptr
I[
\
J
Topfgehä use
~
[[
~
Kastengehäuse
Vorteile
+ einfache Fertigung der Lage r-
bohrungen
+ genaue Fertig ung in einer
Aufspannung
+ steifes Gehäuse
. ;- g ut montierba r
. ;- Montage a utomatisierbar
. ;- genaue Fertigung in einer
Aufspannung
. ;- sehr g ut montierbar
. ;- Montage actcmaüserbar
Nachte ile
-
ungünstige Montagebedin-
gungen
-
keine a utoma tis ierte Mon tage
mög lich
-
teure Fertigungse inrichlung
-
kritische Bohr ungen in zwei
Autspannunpen
-
Teüüächenbearbeitonq teuer
-
keine hohe Stertiqkeit
3 Getriebe
Ein Troggehäuse ist nicht geteilt und weist nur einen Deckel z um Abschluss auf. Geteilte
Gehäuse können quer zur Wellenlage geteilt werde n (quergeteilt) oder in Wellenrichtung
(längsgctcih]. Die Getriebe von mehrspurigen Fahrzeugen werden hauptsächlic h in querge-
tei lten Topfgehä use n untergebr acht. Bei Motorrä de rn finden s ich oft längsget eilte Kastcngc -
haus e, die mit dem Kurbelgehäuse des Motors in einem Stück gegossen sind.
Gehäuse werden wegen ihrer komplexen Formen ge rne gegossen. Bei Serienfahrz eugen
wird Leichtmetall druckgegossen. bei Rennfahrzeugen verbieten die geringen Stückz ahlen
solche Verfahren. es werden Sandguss und Feinguss eingesetzt. Für die Konstr uktion von
Leichtmetall-Guss-Gehäusen wurden folgende Empfehlungen in systematischen Untersu-
chungen crmittc lt j M11]:
Gru ndsätzlich sollen Wandstärken von Gussteilen möglichst gering sein. Das vermei-
det Lunke r (Schwindungshohlräume) und die Werkstoffeigenschaften sind besser als in
dickwandigen Bereichen.
Werden Vers tärk unge n benöt igt, so werde n Rippen vorgesehe n. Gehäuse r ippen solle n
in Richtu ng de r Hauptnormalspannungen verlaufen, weil Gusswerkstoffe besonders auf
Zugspa nnu ngen e mpfind lich sind.
Rippen an Wanden mit Lagerstellen sollen stcm fönn ig von den Lagerbohrungen ver-
laufen. Ist die Wandstärke des Gehäuses t, so sollen die Rippen folgende Abmessungen
haben:
Höhe=3bis4t
Dicke= Ibis2t,
Längswände (parallel zur Getr iebewelle verlaufe nd) sollen dur ch bre ite Rippen (D icke =
I bis 2 t) mit großem Rundungsradius R '" 1.2 t verstärkt werden. Die Rippen sollen dabei
in 45°-Winkc1 zur Getriebelängsachse verlaufen.
Eine starke Vcrrippung mit Rippenabsta nd 5 bis 15 f bewirkt ein günstiges akustisches
Übert rag ungs vcrhaltcn.
üb die Rippen innen oder außen angeb racht werden hängt vom Gussverfahren ab. Bei
Druckguss sind innen liegende Rippenje nach Geometrie aufwändig. Hier sind außen lie-
gende Rippen wesentl ich günstiger dar zustelle n. Gieß verfahre n. die eine n Ke rn e rfo rde r n
M
Bild M·54
Getriebeg ehäus e eines
Serienfahr zeug s.
Das Getriebe wird für einen Standa rd -
antrieb eingesetzt. Das zweiteilige Topt-
qehäuse ist druc kgegossen und weist
außen Rippen zur Verstärk ung auf. Die
Kupplungsglocke ist mit dem Gehäuse
zu einem Teil zusammenge fasst.
MAnt riebsstrang
(Sandg uss, Feinguss , Lost Foam ), erla ube n dagege n innen liegend e Rippen. Ein solches
Gehäuse kann außen glatt gestaltet werden und ist dann weniger anfällig gegen v ersehrnur-
z ung und aerodynamisch günstiger.
Werkstoffe lind Herstellverfahren . G elriebegehäuse werden aus Alu minium, Mag nesium
und Tita n gegoss e n (Sa ndg uss. Fei nguss, Ra pid-Prot o ryping-Vcrfahrcn ) ode r werden aus
spaßend hergestellten Stahlh albze ugen geschweißt. Weitere (seltene) Baua rten bestehen aus
einem Verb und aus CFK-Gchäusc mit Metallguss- und Frasteile n (Formell).
Ein Nachteil von Gehä usen aus Leichtmetallen ergibt sich durch de ren unterschiedlichen
Tcmpcnlturausdch nungskocffizicntcn: Bei Erwärmung dehnt sich das G ehäuse stärker aus
als die Stahlteile. etwa die Außenringe von Wälzlagern. Deshalb müssen Lager mit einer
besonders hohen Überdeckung eingepresst werden . was wiederu m die Gehäus ebela stu ng
bei Raumtemperatur erhöht. Außerde m ändert sich durch die Ausdehnung des Gehäuses
auch der Achsabsta nd, wodu rch der Zahnei ng riff und desse n Wirku ngsgrad sich ändern.
Eine Abhilfe lässt sich durch ein Zusammenfassen der Hauptlager einer Lagerwa nd in einer
Stahlbrille erzielen.
Minimale Wand stärken [ Mittelwerte): Magnesiu m 6 rnm. Al umi niu m 3,5 mm . Stahl
1.5 mm.
Zah nräder werde n einsatzg eh ärt et . Hohlrä der und Planetenräder könn en da von abw ei-
chend auch ca rbonitricrt werden .
Wellen : Einsatzsta h l 16MnCr5 (DIN I72lO). Vergüt ungssta hl 25 CrMo4 (EN 10083-1).
34 Cr4 (EN 1000B -I).
Ma sse: 39 kg (inkl. Sperre, 6-Gang Quereinb au in Tourenwagen für 450 Nm). 55 kg (For-
mcl-t S-Gang, 1( 79) 1M19]. 45 kg Formel Renault. ö-G anggct ricbc trocken ohn e Öl.
Die Get riebeein heit ist meist mittragender Teil des Fahrzeughecks und nimmt Oucrlcn-
kcrko nsolc n. Fcdcr/D ämpfcr bcin abst ütz ungc n und Torsionsstabili sa torlag er ungen a uf. Bild
;\1-55 stel lt ein Beispiel dar.
Der Aufba u eines Renngetriebes zeigt die typische A nordnung ei nes Mittelmotorkonzepts
(Bild ;\1-56). Das Get riebe ist filr ein best immt es Langstreck enfahrzeug konst ruiert wor-
de n. Der Motor liegt vor dem Getri ebe. Die Eingangs....c llc trägt die Kupplung (I) und läuft
unter dem Achsget riebe (2) durch. Die eigentlichen Getriebestufen sitzen hinter dem Aehs-
gerriebe und erm öglichen so einen leichten Zugang im Fahr zeug, wodurch beispielswe ise
Übersetz ungen geändert werden können . Der Wechsel der Getri ebe zahnräder kann bei guter
Zugä ng liehkeit in 20 Minuten erfolgen [MI 9].
Auch das nächste Beispiel zeigt die typische Ano rdnung ei nes Minclmotork onzcpts.
wenn da s Getri ebe auch in ei nem Formelwage n eingesetzt ist (Bild :\1-57).
Ein Beispiel ei nes hochkomplexen Getriebeg ehä uses . da s au s meh re ren Titan -Einzeltei -
len verschweißt ist zeigt Bild 1\I·5H. Zusätzlich ist das Getriebe aus zw ei großen Mod ulen
aufgebaut. nämli ch dem eigentlichen Metall-Getr iebegehä use und ei nem CFK-Aufsatz, der
einen Großtei l des Fahrwerks aufnimmt und der mit dem Motor verschraubt ist.
3 Getr iebe
Bild M - 55 Getriebeg ehäuse (Reynard). Ans icht von link s hinten.
Das Gehä use wird in einem Formelwagen verba ut und bildet also den hinteren Abschl uss des Fahrzeugs.
Man erkennt die Position des Achsgetrieb es (ganz rechts), dessen Lagerung vom Gehäuse u nd einem
Deckel gebildet wird. Dieser Deckel ist im Augenblick demo ntiert. Weiters erkennt man die Umlenkhebe l
und Konsolen für die Querlenkeranbindung .
M
(2
4
Bild M - 56 5-Gang SChaltge triebe eines Rennfahr zeugs in Lä ngsanordnung (Merceces sauber C ll),
1 Kup plung clutch
2 Tellerrad des Achsa ntriebs crownwheel ot final drive
3 Lagerplatte be aring plate
4 Abtriebswelle output shaft
5 01pumpe oil pump
Die Getriebewel len sind zw ischen erstem u nd zw eitem Gang zusätzlich gelagert. Datür ist eine Lager-
platte (3) zwischen den Gehä usehälften angeord net. Das Gehäuse ist ein Trogge häuse aus Mag nesium.
Unter dem Winke ltrieb sitzt eine eigene Ölpumpe (5).
1683
M Ant riebs strang
Bild M·57 Gelriebegehäuse {Hew land an Formel König}. Ansicht a uf r echte Fahrzeuqseüe.
Das Geh äuse wi rd an das gegossene Kup plungsgehäuse an g esc hrau bt. Die Gelen kwe lle i st demontiert.
deshalb ist der Blick fre i auf den Flansch des Achsgetr iebes. Im Bi ld ist das 8etätigungsgestänge. das an
das hintere Ende das Get riebes geführt ist gut zu erkennen. Wird de r h inte re Deckel abgenommen. la ssen
sich sämtliche Zahnradpaare tauschen. Am Ende das Getriebes w ird der Heckflügel über zwei Al umini-
umplatten aufgenommen , die auch di e Au fnahm e für den Rangierwagenheber be reitstellen.
Bild M - 58 Get riebe eines corrner-t-waqens (Ferrari F1-2000).
Zu sehen ist d ie linke Seite des Getriebes. Die Befestigung am Motor er folgt also mi t de r links im Bild
befindlichen CFK-Str uk tur, die auch Konsolen für das Fahrwerk trägt und die Umlenkhebel samt Tor-
sionsfedern aufnimmt. Am hinteren Ende k ann man eine Tripode naufnahme sehen, d ie vo llständ ig im
Getriebegehäuse gelagert ist. Oie zylinderförmige Au sb uchtun g, d ie das Gehäuse u nten aufwe ist. schafft
Platz für die Schaltwalze. Am hinteren Ende des Gehä uses bef indet sich die Aufnahme für das H ecka uf-
p rallelement samt Heckflügel.
3 Getriebe
3 .2 Stufenlosgetriebe (CVT) Continaus variable transm ission
Die heute im Eins at z befindlichen Stufenlosget riebe s ind beina he ausna hmslos Urnschli n-
gu ngsgetriebe. Als Übertrag ungsglied arbeitet dabei eine Kette . die über Kegelscheiben
läuft und die Leist ung aus schl ießlich über Reibung übertr ägt. Bild ;\1-59 ze igt die zent ralen
Bauteile eines Umschling ungsgct ricbcs. Der wirks ame Du rch messer der Kette kann du rch
Veränd ern des Abst ands der A nt riebskegelscheiben variiert werden. Weil die Kette eine
feste Länge aufweist, muss der Absta nd der angetriebenen Scheiben entsprechend geändert
werden. Entscheidend für eine brauchbare Funktion ist die Steuerung der Anpresskraft der
Kegelscheiben. Ist die Kraft zu groß. wird der Wirkungsgrad der Kette schlecht und die
Verluste durch die Anprcsspurnpc erhöhen sich. Umgekehrt ist auch ein zu geringes Anpres-
sen der Kegelscheiben an die Kette unbedingt zu vermeiden, weil ein Rutschen der Kelte
zur Zerstörung des Getriebes füh rt. Die Anpresskraft muss also leistungsabhängig geregelt
werden.
Als Kett e kom men Zug- oder Schubgliederkelten in Frage. Die Zuggliederkelte weist den
höheren Wirku ngsg rad auf. die Schubgliederkett e läuft d agegen ge räuschä rmer und wird
deswegen bevorzugt bei Pkw eingese tzt.
Die Spre iz ungen solcher CVT-Gct riebe liege n um 5,3 bis 6,0. Wird eine größe re Sprei-
zung gebraucht. wer den mechanische Schaltgetriebe de m CVT VOT- oder nachgeschaltet .
Die Eignung soleher CVT-Getriebe für den Renn sport ist umstritten. Beim Gasweg neh-
men in der Kurveneinfahrt regelt das CVT kurzzeitig hoch, was dem Fahrer den gewöh-
nungsbcdü rftigcn Eind ruck vermittelt d ie Drosselklappe wäre stecken geblieben. Beim
Herausbeschleunigen aus der Kurve muss das Getriebe wieder ..hcruntcrschaltcn'', weil es
im vorhergehende n Schiebebet rieb d ie si nkende Motordrehzahl ausgeglichen hat (M06].
Um das zu ver meiden. muss eine weitere Get rieberegelung für den Schiebebetrie b vorgese-
hen werden. Der Wirkungsgradverlust wird mit ca. 15- 20 % geschätzt .
ln den 1960er-Jahren war ei ne Vario m atie im F3 Teenos im Einsatz. Ocr Wagen war erfolg-
reich auf engen und nassen Kursen. zeigte aber Leistungsmangcl auf den Geraden [M( 6).
ln {MO?] wird über eine Verbesse rung der Beschleunigung im Vergleich zu einer 4-Gang
Auto mat ik berichtet.
[MOR] errechnet eine etwa gleiche Beschleunigu ng von einem hochdrehenden Motor mit
CVT wie von einem Serienmotor mit Stufengetriebe.
M
n,
:1
I',-. .. .,11+----" - ,
,
•
3
Bil d M-59
Prinzip eines stutenlosen Umsch ling ungsget riebes.
1 feste K egelscheib e
2 beweg liche Kegelsche ibe
3 Scnutiqlteoerkette
n,
n1 Eingangs d rehzahl
oa A usgangsd rehzahl
' 1 Reibradius Antriebsscheiben
' 2 Reibradius Abt rieb ssc heib en
Die uoersetzunq i folgt aus den wirksamen Reibradien
der Kette:i·111/n2 · ' 21'1
1685
MAnt riebs strang
3 .3 A chsgetriebe Final d rive
Das Achsge triebe hat die Aufgabe das vom Moto r kom mende, über das Getriebe gewandelte
Moment auf die Ant riebachse umzu leiten. Bei Standardantrieben und Mittclr notoru nord -
nung ist eine Umlcnkung um 90° erforde rlich. Bei Quermoloren muss lediglich ein Achs -
abstand zwischen Getr iebeausga ng und Antriebsa chse überbrückt werden. Achsgetriebe
sind bei Mittelmotor konze pte n und Hinte rra dant rieb sowie be i Frontantr ieb und Qucrm o-
to r übliche rwe ise im Schaltgetriebegeh äuse aus Platz- und Fes t ig keitsg rü nde n integr iert.
Außerdem wi rd vorteilhaft ein gemeins ames Schmie rsystem be nutzt. Üblicherweise tre ibt
der Achsa ntrieb nicht direkt die Räder an , sondern das Differenzi alget riebe. welches das
Moment auf d ie A ntriebs räder verteilt. Eine prinzipiell e Anordnung eines Achsant riebs ist
in Bild ;\1-60 dargest ellt. Der eigentliche Achsantrieb besteht aus Triebfing (I) und Tellerrad
(2). welches direkt au f den Differenz ialkäfig geschraubt ist.
Das Antriebsmoment TAwird aufdie Räder aufgeteilt. wo es als Antriebsmoment links
Tlund rechts Trswirksam wird. Esgilt also TA= Tl+ 7;.,.
Die unterschiedlichen Baufor men von Achsgetrieben. die sich je nach Motoranordn ung
und Antriebsart anbiete n. listct Bild :\1~61 auf.
Ein Sti rnradachsantrieb bietet sich filr einen Q uer motor u nd Frontantrieb a n. Es ist dem -
nac h auch d ie häufigste Variante bei Pkw. Der Stirn radant rieb zeichnet sich du rch einen
hohen Wirkungsgrad aus. Ein Nachteil durch die übliche Anordnung von Motor und Getrie-
Bild M·60 Prinzip eines Achsantriebs .
TA Antriebsmoment
Ti Abtriebsmomentlinkes Rad
T,s Abtriebsmoment rechtes Rad
I
a
Bild M - 61 Bauformen von Acnsqetneben.
./
1 Antriebskegelrad (Triebling)
pinion
2 Telle rrad
erown wheel AE: ring
3 Differenzialgehäuse
differential eage
4 Seitenwellen
axle sbetts AE: axle srens
a Stirnradachsantrieb
b Keqelraoachsa ntneb
mit Spiralkegelrädern
c Keqelradachsan tneb
mit Hypoidkeqelrädern.
a - Achsversatz
d Schnecken radachsan -
trieb
3 Getriebe
be nebenei na nder quer z ur Fah rtrichtung ergibt sich aus den ungleich langen Seitenwellen.
Der Achsantrieb ka nn beim Quermotor in das Get riebegehä use integ riert werden.
Ist eine Umle nk e ng des Leist ungsflusses u m 900 e rforderlich, kom me n Kegel radge trie-
be zum Einsatz. Dies ist bei allen Antriebe n der Fall. bei denen der Motor in Längsrich-
t ung einge baut ist. Der Achsantrieb ka n n in d as Getriebegehäuse integriert sei n ode r als
eigenständiges Gehä use ausgeführt werde n. Bei Kegelradantrieben untersc heidet man sol-
che mit sch neiden den Achse n (Spiralkcgclrädc r, Bild M-6I b) und solche m it Achsversatz
(Hy poidkcgclriidc r, Bild M-6 lc) . Bei Pkw wird ge rne die Hyp oidvcrzahnu ng verwen de t. Das
A ntriebskegelra d g reift da b ei u nte r de r Achs mitte des Telle rrads ei n. Diese r Achsversatz
ist in der Größenordnung von 0.2 x Tellerraddurch messe r. Durch den Achsversatz wird der
Durchmesser des Antr iebskegelra ds größer und das Teller rad kann bei gleicher Belastung
kle iner a usge fü h rt werden als bei der Vari a nte m it schne idende n Achsen. Die A ntr iebswelle
liegt zudem tiefer u nd der Mitteltunnel im Fahrgastraum kann niedriger ausgeführt werden.
Durch d en Achsversatz ko m mt es bei m Abwälzen de r Zähne zu ei ner Gleitbeweg ung ent-
lang der Zahn flanken. Das wirkt geräuschm indernd. verlangt aber den Einsatz eines eige nen
Getriebeöls. das diese hohen Gleitpressungen erträgt. Der große Reibungsanteil verschiech -
tcrt de n W irkungsgrad d er Kraft übert ragung.
Sch necken radget riebe er mög liche n große Übersetzungen a uf klein e m Ra u m. Hinsicht-
lich der Laufruhe ist der Sch neckenantrieb allen anderen Antrieben überlegen. Ähnlich der
Hypoidvcrzah nung ist beider Schnecke auch immer ei n Gleitanteil im Zahncingriffvorhan-
den, de r einen Ölfilm zwischen de n tragenden Zahnflanke n bildet. An der Schnecke treten
im Betrieb große Axialkräfte auf und diese ist daher entsprechend zu lagern. Die Sch necke
kann obe r- od er unterhalb des Schneckenrads angeo rdnet werden und da mit die Antriebs-
welle höher oder tiefer als die Radach se gelegt werden. Die Herstellu ng der Schnecke und
des Schneckenrads gest altet sich alle rdings aufwändig und teuer. Bei gege nwä rtigen Fahr-
ze uge n finde n sich keine Vertreter meh r m it dieser Baufor m d es Achs antriebs.
In der Formel I werden boge nverzahnte (= spiralverzahnte) Kegelräder eingesetzt
Überset zu ng e n rattos. Mit der Übersetzu ng d es Achsge triebes w ird die gewü nsc hte
Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeugs festgelegt. Je nach Motorleistu ng und Bau form des
Achsget riebes liege n d ie Übersetzungen in folgende n Bere iche n:
Kegel radachs a ntriebe
in=2,5:Ibis3,5:I
Stirnra dachsa ntrie be
in=3:Ibis4:I
Schnecke nra da ntr iebe i o ;;:: 5,0
Die kleinen Übersetz ungen werden bei leistungsstarken Fah rzeugen. die größeren Überset-
zungen bei Pkw und Allradfahrze ugen verwendet. Die Dimcnsiouicrung der Achsget riebe
er folgt aufdas grö ßte Eingangsmo me nt hin, das ist das größte Ausga ngsmome nt des Getrie-
bes .
Ta belle ;\1-8 stel lt abschließend ei nige Eigensch aften einzelner Bauformen vergleichend
gegenüber. Man erkennt, dass mit ungcwichtctcn Kriterien de r Stirnrada ntrieb als Achsan-
trieb am bes ten abschn eidet.
Die Lebensd a uer ei nes Achsgetriebes bet rägt in der Formel I etwa lJOO km [M19]. Wei-
te re Beispie le von Achsgetr ieben zeigen Bilder im Absch nitt 4 Differenzial.
M
M Ant riebs str ang
Tab . M -a Bewer tung der Bauarten von Achsgetrieben [Ml 1].
Legende: ++ sehr gut. + gut. 0 be fried igend.
Bauart
Sti m rad
Kriterium
W irkungsgrad
H
B elastunqstähiqkeit
0
Platz bedarf
•
Lagerungen
H
Schmierung
H
Lebensdauer
H
La ufruhe
0
Herstellko sten
H
Keg elrad
Schneckenrad
Spiralkeg eltrieb Hyp oidkeg eltri eb
H
H
•
•
•
H
0
•
•
0
0
0
H
0
0
•
•
H
0
•
H
•
0
sch lech t,
sehr schlecht.
Bil d M - 62 Achsgetr iebe eines Ren nfa hrzeugs (NSU 1100115.1 967-71) [M 18].
Die A u sga ngsw elle des Getriebes und d ie Seilenwellen lieg en para llel. Der Korb de s Kegelradd iff eren zials
kann so übe r ein Stirnrad angetrieben werden. was den größten Wirkungsgrad bei der Kralt übe rt rag ung
b ietet. Die Fünfkugel -Gleic hlaufge lenke ü.öbro. GK N Autornoüve) sind in d ie Achskege lräder des Aus -
gle ichgetriebes in t egrie rt, w o d u rc h d ie Seiten wel len bei gegebener Spurweite nahezu d ie grö ßtmögliche
Länge erre ichen.
688 1
2
4 Differenzial
4 Differenzial Differential
Der Einachsant rieb ist bei Pkw und Nkw aus Fahrstabili-
täts- und Traktionsg rü nden das Minimum . Hierfür muss die
Motor1cistung auf ein linkes u nd rechtes Treibrad verteilt
werden . im einfach sten Fall mittel s einer ungeteilten Rad-
antriebswelle. Beim Durchfahren einer Kurve aber legt das
kurvenäußere Rad einen größeren Weg zurück als das inne-
re, was bei starrem Antrieb ein Radieren der Reifen. hohen
Verschleiß und Belastunge n des Alltriebsstrangs durch Verspannungen zur Folge hat. Es ist
also ein Get riebe erforderlich, das im Gegensatz zu einem sta rren Durchtrieb ohne geteilte
Abtricbswcllc einen zwanglosen Drehza hl- und Kräfte ausgleich zu lässt. Dieses Get riebe
muss bei Geradeau sfahrt eine Verteilung des Moments im Verhältnis 50 :50 % aufdas lin ke
und rec hte Treibrad vo rnehmen [ M 11].
Pri nz ipiel l kö nne n St irn räder oder Kegel räd e r f ür e in Ausgleichsgetriebe ein ge setzt wer-
den. Bild i\I-64 . Vereinzelt kommen auch Schneckenräder zum Einsatz. Diese weise n alle r-
M
c
I
R
~
o
L
-.
-1-- -
0-
-I
Bil d M - 63 Prinzip eines Differenzials.
a Unterschi edliche Wegstrec ken zweie r Räder beim sch lupffreien Rollen durch einen Kreisbogen
b Prinzipsch ema der Kraftaufte ilung: Die Antriebs kraft FAw ird über d en in M gelager ten Waagebal ken
auf die beid en Scheiben aufgete ilt. Wen n der Wide rstand Ti einer Scheibe größer ist als 1;s' verd reht
sich der Balken und dreht den Punkt A der Scheibe entsp rechend weiter,
Baute ilentsprechungen für ein Kegelraddifferenzial: 1 Acn skeq elrao, 2 Ditferenztalbclzan. 3 Aus-
gleichkegelrad
c A nsicht von oben für den in b gesch ilde rten Fall. Wege und Geschw ind igkeiten der d rei Punkte
verhalten sich immer: R + L - 2 M
MAnt riebsstrang
3
4-
-'I:
10
a
b
1 Ac hsantrieb final drive
7
2 Differenzialgehäuse
differentia l cage
3 Hohlrad annuJus
4 Pla netenrad planer
5 Sonnenrad sun wheel
6 Planetenträ ger (Steg)
planet carrier
7 Ausgle ichskege lrad
planetary gear
8 Achs kegelrad
crypto gear (sun wheel)
9 Differenzialbolzen cross pin
10 Seilenwe llen eae shafts
Bil d M-64 Prinzipiel le A r ten von Diffe renzialen.
a Planetenra ddifferen zial
b Kege lradd ifferenzia l
dings in jede m Betriebszusta nd eine prinzipbedingte Sperrwirk ung durch die Sclbsthcm-
rnung ei ner Schnecke auf und werde n daher als Selbstsperrdiffe re nziale eingesetzt (z. B.
Torsen-Differenzial).
Der gru ndsätz liche Aufbau ist bei allen Bauformen g leich. Das Achsget riebe t reibt di rek t
den Differenzialkorb an. Dieser über tr ägt das Moment auf ein Zwischenglied, das die Lei -
stungsverzweig ung auf die beiden Seitenwellen vorn immt.
Das Bild ,'\1 -65 zeig t ei ne gete ilte Achswelle mit e ine m zwischengeschalteten Kegel rad-
differenz ial. Das über den Antr ieb ( I), beis piels weis e einen spiral- oder hypoid vc rza hnten
Kegeltrieb. eingeleitete Dreh moment TA wi rd über den Differen zia lkäfig (4) auf die Aus-
glcichskcgcl rädcr (3) übertragen, d ie wie ein Waagebalkcn wirken und immer ei n Dreh -
momcntglcichgcwicht Tl = Trs zwi schen de r linke n und rechten Abtriebsseile herstelle n.
Solange kein Schlupf an de n Treibrädern auftritt, gilt für die Drehzahle n:
Drehzahl des kurvenäußere n bzw. weniger haftenden Rads: 1/0 = n + Lln
Drehzahl des kurveninneren bzw. mehr haftenden Rads: 11; = 11 - Don
Dabei bedeuten n d ie Eingangsd rehzahl des Tellerrads und D.n die Differen zdreh zahl zwi-
schen de r Abtrie bsd rehza hl de s kur venä ußeren Rads und der A ntr iebsdrchzahl de s Diffc -
renz ials. Bei Geradeausfah rt laufen de r Differe nzia lkäfig (4 ), die Achs kege lr äder (5), die
~
T~
-
H:--- -.- --- :>t1Hl lf+1O<=-- - --,,.-')--j -
7
Bild M -6 5 Differenzialanordnung (Schema).
1 Antriebswelle mit Triebling
2 Tellerrad
3 A usgleichs kegelräder
4 Differenzialkä fig
5 Achskege lräder
6 Differenzialbo lzen
7 Seitenwellen
690 I
4 Differen zia l
verd rehfest mit den Achskegel rädern verbundenen Aehs.... -cllc n (7) sowie die Ausgtcichskc-
gclrädcr (3) im Inneren des Käfigs als Block um. Zwischen dem Differenz ialbolzen (6) und
den darau f gelage rten Ausg leichskegelräde rn ergibt sich kei ne Relativbe weg ung. Bei Kur-
ve nfahrt muss s ich eine Achswel le schne ller d rehe n als die gege nüberliege nde ; Achskegel-
räder und Ausg leichskegelräder wälzen aufeinander ab. Der Drehzahlausgleich zwisc hen
den Rädern kann stattfinden [M11].
Einnu ss auf das Fah r verh alten. Bei Beschleunigen auf einer Gerade n hat das Differen-
zial kaum eine n Einfluss auf die Fah rleistungen. Probleme ergeben sich nur, wenn ein Rad
einen geringeren Reibwert als das gegenüberliege nde vorfindet. In dem Fall ist wü nschens-
wert, dass die Differenzialfunktion aufgehobe n werde n kann. Ein weiteres Problem kann
sieh dur ch unterschiedliche Reifendurchmesser ergeben. Ein gesperrtes Differenzial führt
in dieser Situation zum einseitigen Ziehen des Fahrze ugs. Beim Beschleunigen am Kur-
venausgang ist in jede m Fall die Wirkung des Ausgleichsgetriebes einflussreich auf die
Fahrleistungen. weil es zu einer Radlastverlagerung kommt und die Räder kur veninnen
und -außcn unterschiedliche Umfangskräfte aufbauen. Das ideale Differenzial verteilt das
Antriebsmoment des Motors entsprechend der Radl aste n und unterstützt so die maximal
mögliche Beschleunigu ng. Beim Lastwechsel in de r Kurve. also beim Übergang in de n
Schiebebet rieb. ze igt das Differen zial ebenfalls einen Einfluss auf das Verhalten des Fahr-
zeugs. Je nachdem wie sta rk die beiden Achshälften miteinander gekoppelt sind, gewinnt
ode r verliert es a n Stabilität. Auch das Übergangsverhalten bei variablen Differenzialen hat
einen Einfluss Abrupt einsetze nde Sperren beispielsweise erze ugen eine Stoßbelastung im
Antriebsstrang. deren Auswirkung auf das Fah rzeugverhalten nur schwer einschätzba r ist.
In Rennfahrze ugen finden sich folge nde Diffcrcn z iala rtcn :
offenes Differe nzi al open differential.
Muffe nkup plung spool,
Selbsts pe rrdiffere nz ial mit Lamelle nkupplung durch locker (Salisb ury type}.
Kur ven-Selbstsperrdiffe re nzia l cam and pawi,
Sperrd iffe renz ial mit Schnecke nrä de rn torse n differential.
momente nver te ilendes Differenzia l totune vecto ri ng dijIiere ntial.
Offe nes Differ en zial open differential. Ein so genanntes offenes Differenzial ist ein Kegel-
oder Plancrcnradausglcichsgctncbc ohnejegliche Sperren . Bei Pkw werden demnach in der
Regel offene Differenz iale eingesetzt. Der Nachteil bei dieser Bauart ergibt sich aus der
Charakter istik. dass da s Rad mit dem geringeren Moment das mögliche Ges amtmoment der
Antriebsachse besti mmt. Das führt in engen. schnell gefahrenen Kurven zum losen Durch-
drehen des abgehobenen kur veninneren Rads. Das kur venäußere Rad leistet dann keinen
Beitrag mehr zum Vortrieb. Natürlich wird dieser Nachteil nicht immer in dieser krassen
Form z u Tage treten. Er hängt primär ab von der Radlastverlageru ng und dem Leistungs-
gcwicht. Fahrzeuge. welche die Radlast dur ch aerodynamischen Abtrieb erhöhen. haben
naturgemä ß ger ingere Probleme mit dem geschilde rten Verhalten offe ner Differen ziale
als solche ohne Abtriebshilfe n. Es muss genau ge nommen auch zwischen Kurveneingang
und -a usgang unterschieden werden . Beim Anbremsen und Einlenken soll ein Differenzial
offen sein. da mit im Schiebebetrieb das Motorbremsmoment die Gie rbewegung des Fahr-
zeugs nicht stört . Umgekehrt soll das Fahrze ug beim Herausbeschleunige n im Sinne einer
M
MAnt riebs strang
hohen Beschleunigung beson de rs um stä rker belastete n k ur venäußeren Rad angetr ieben
werden und spurstabil bleiben , indem aber auch das kurve nin nere Rad für Vort rieb sorgt.
Ein gespe rrtes Dif fe re nzial bew irkt so um Kurvenausga ng leichte s (stabiles) Unte rsteue r n.
ßüd l\1~66 zeigt ei n Planeten raddiffere nzial ohne Sperren. Ocr Achsantr ieb er folgt über das
Großrad (I) das an das Hohlrad (2)angeschraubt ist. Der Momentenfluss wird vom Hohlrad
über drei Planete nradpaare (5) auf den Sieg (3) und da s Son nenrad (4) weitergeleitet. Die
Zähnezahlen sind so gewäh lt. das die Momcntauftcilung links zu rechts 50 zu 50 % beträgt.
Im Steg ist gle ichzeitig die Tripodena uf nahme für die linke Achsse he unte rgebra cht. Die
rechte Tripode wird über eine Aufnah me, d ie im Sonne nrad integriert ist. a ngetrieben . Zwi-
..-
5
Bi ld M-66
Planetenradd ilferenzial als offenes Differenzia l
epicyclic differential.
1 Antriebsrad als Stirnrad spur gear
2 Hoh lrad annulus
3 Steg mit Tripodenaufnahme links planet carrier
4 Sonnenrad mit Tripodenaufnahme rechts
sun wheel
5 Planetenrad planet wheel
4 Differenzial
sehen den einzelne n Bauteilen. d ie Relativ beweg ungen z ueina nder ausführ en, befinde n sich
Zylinde r- und Nadellager. Diese Bauart er möglicht ei n äu ßerst schl ankes Achsgetriebe. die
beiden Tripodenauf nahmen der Seitenwelle n haben de n gcri ngst möglichen Abst and vonei-
nander und da mit von der Fahrzeugmit te. Ein schla nkes Achsget riebe lässt Platz für aero-
dy namische Unterbode ngestaltu ng und f ür einen Diffusor.
Auch ein Planctcnr ada usglcichgctric bc kann gesper rt werden. Dafü r wird ei ne l.a mcl-
Jen ku pplung zwischen Sonne nra d und Steg gesc haltet. d ie ein Sperr moment zwisc hen den
beide n Bauteile n überträgt. Der Formel-1-\Velt meiste rsehaftsgewin ner Fcr rari Fl 2000 hat
so ein Planete nradd ifferenzi al mit filnf Planetenpa aren mit hydrau lischer Lamellenkupp-
lung im Einsatz gehab t IM I4J.
x t u rtenkuppt u ng spooi, Besti m mte Kurse er möglichen ein Fahren ohne Differenz ial. Die
beiden Achswellen werden dann mit einer Muffe miteina nder drehm omentsteif verbun-
den . So fuhre n die Mcrccdcs-Sport wagcn 1989 im 24-St unden-Rennen von Lc Mans ohne
Ausgleichsgetriebe mit sta rre m Durchtrieb auf bcidc Seitenwellen. Ein Schaden an eine r
Seitenwelle oder ei nem Beugegelenk fü hrt so zu keinem Totalausfall des Systems [M 16].
Zusätzliche Schika nen in der Strecke nfü hru ng und untersteuern des Fahrve rhalten führte n
jedoch 1991 zu m Einsatz ei nes Sperrd ifferenzials [MI6J .
Auch auf den Ovalkursen in Nordamerika kann ohne Differenzial gefahren werden. Die
Kurven haben große Radien und werden nur in einem Sinn durchfahren. Die Fahrzeuge
weisen daher unterschiedliche Reifendurchmesser innen und außen auf und haben somit
einen eingebaute n Kegelrolleneffekt.
Karts haben reglementbe di ngt kein Differe nz ial. Der Ant rieb erfolgt auf ei ne sta r re Ach-
se. Den erforderlichen Ausgleich der Raddre hzahle n bei Kurvenfahrt erreicht ma n durch
einen relativ hohen Gesa mtschwerpunkt im Verhältnis zu r Spu rwe ite. d. h . die Fahrtechnik
zielt darauf ab. d as kurven innere Rad der Antri ebsachse zu heben. Die vordcrac hsgcomc-
trie ist ebenfalls auf diesen Umstand ausgelegt. Die Spreiz ung beträgt bis zu 20" zu r Entla-
stu ng des kurveninneren Rades be im Einsch lagen.
Die übrige n Bauarte n von Differenz ialen sind durch eine Überbrückungsmöglichkeit
von offe nen Differe nzia len geken nzeich net. Verschiede nste Maßna hmen der Ant riebs-
mom enten verteilung stellen die denkbare n Möglichk eiten zwischen den beiden Extre men
offenes Differenzial und Muffenkuppl ung dar.
4.1 Beeinflussbare Differenz iale Controlable d ifferentials
Wenn die einfachen Differen zialget r iebe auch für den nor male n Fahrbet rieb erforderlich
sind und aus reichen, so haben sie doc h in besondere n Situat ionen schwerw iegende Nach-
teile. Treten nämlich du rch Radlast verlager ung oder untersch iedliche Untergrü nde links
und rechts verschiede ne Kraftsc hlusspotent iale auf. so d iktiert das Rad mit der ger ingeren
Reibung die mögliche Antriebskra ft des Fah rzeugs. In diese r Situation liegt der Gedank e
nahe . das Differenz ial zu überbrücken , die Ausg leichsfunktio n also zu s per ren. Eine wei-
tere Überleg ung ist die. das Differenzia l zur Stabilitätser höhu ng des Fah rzeugs ei nz uset-
zen, indem gez ielt unterschied liche Momente auf das li nke und rechte A ntr iebsrad geleitet
werden und so ein Giermoment auf das Fahrze ug wirkt.
M
MAnt riebsstrang
Sperrwert torque bias rat io. Ohne Sperrwirkung führt ein ungleichmäßig übertrag bares
Moment der Antriebsräder zum Durchdrehen des Rades mit dem geringeren Moment. Das
Fahrzeug kann in dieser Phase kaum beschleunigen. Greift das gleitende Rad wieder ruckar-
tig. wird der Antriebsstrang stoßa rtig belastet und das Fahrzeug kann leicht instabil werden.
Bei Rennfahrzeugen mit hohcr Motorleis tung sind daher Spe rrdiffe renzi ale weit verbreitet.
Ocr Sper rwe rt Sals konst ruk tiv charak terist ische Ausleg ungsg röße stellt ei n Maß f ür die
Behinderu ng der Ausgleichsbewegung dar. Er ist wie folgt definie rt:
S Sperrwert H bzw. [% ]
Tß Sperrmo ment [ Nm]
TA A nt riebsmome nt [Nm]
Trs A bt riebsmoment re chte Seitenwelle [ Nm ]
TI A bt riebsmoment lin ke Seitenwelle [N m]
Definitionsgemäß liegt der Sperrwert S zwischen 0 und 1 (bzw. 0 % bis 100 %). Ein Sperr-
wert von 0 % beschreibt ein verlustfreies. nicht sperrendes Differenzialgetr iebe. ein Wert
von WO% einen starren Durchtrieb.
Bei Pkw mit Frontantrieb müssen die Sperrwerte wegen unerw ünschter Rückwirkungen
in de r Lenk ung niedrig gehalten werden (maxi mal 17 %). Die Sperrwerte von Sperrdifferen-
zialen liegen bei Pkw mit Hinterradantrieb zwischen 25 % und 50 % und bei Nutz fahrzeugen
bis zu 75 % [MIl]. Bei Rennfahrzeugen mit Hinterradant rieb von 45 % bis ca. 70 % [MI2].
Im anglikanischen Raum wird ge rne ei n TB R-Wert tt orque bi as ratio) z ur C haraktc ri-
sicr u ng des Differ en z ials angegeben. Gemeint w ird da mit das Verhältnis Trs.max : TI.min. Ein
TBRvon 3:1entsprichtdemnach einem WertS von0.5 .
Ideal wäre ei n akti ves Spe rrdifferenzial : Beim Beschleunigen in der Kurve w ird das
Antriebsmoment auf das kur venäußere Rad verlagert. beim Gaswegnehmen wird die Sperr-
wi rku ng a ufge hoben [M6 ].
Z ur Verdeutlich ung des Sperrwerts. Be i e ine m Sperrdifferenz ial m it S = 50 % können
maximal 75 % des Antriebsmoments an das Rad mit dem höheren Kraftschlusspotential
geleitet werde n. mindestens 25 % gehen an das ehe r zum Durc hd rehen neigende Rad. Die
Differen z dieser beide n Werte bet rägt S = 50 %, de r Sperrwert ist soz usagen der .Urnvcrtei-
lungsbet rag" bezogen auf das insgesamt übert ragene Antriebsmo ment. also TI + Trs- Anders
form uliert: Je höher der Sperrwert. desto meh r Moment wird nicht vorn Ausgleichsgetriebe
ver te ilt. sonde rn als Brems- o der Sperrmoment TBüber die Differenzi albre mse gele itet. De r
Sperrwert ist da mit auc h e in Ma ß f ür die zwischen D ifferenzi al u nd Differenzia lbre mse
stat tfinde nde Leist ungsverzweigu ng.
A nha nd ei nes Be isp iels soll im Folgende n der begrenz te Ei nsatz de s Sperrdifferenz ials
als T raktionsh ilfe verde utl icht werde n. Bet rach tet wird ein Fahrzeug auf einseit ig glatter
Fah rbahn mit }11 < }Ies und einem Sperrdifferential mit dem Sperrwert S = 0,3. Mit dem
linken Rad lassen sich ma ximal TI = 25 Nm auf die Fahrbahn übertragen. Aus de r Definiti-
onsglcichung von S folgt:
I+S
Trs=7j--
l-S
Folg lich lässt sich, un abhäng ig vom a ngebote nen Motor rnome nt, aufdas rechte Rad ein Mome nt
von Trs = 46.4 Nm übert rage n. Das gesa mte übertragba re Momen t beträgt n ur T = 71,4 Nm.
694 1
4 D ifferenz ia l
Dieses Za hle nbe ispiel zeig t die begrenzten Mög lichke iten de s Sperrdifferent ials. de nn je
nach Fah rwi derstand (Steigu ng us w.] kann dies z u we nig Moment z ur Fort bewegung sein.
Differenziert muss man alle rdings die Sperrwerte sc hlup f- und lastabhängiger Sperrdif-
fcrcnz ialc bet rachten: Ein rein last abhängiges Selbstsperr diffe renzi al besitzt ei nen festen.
u nve rä nderlic he n Spe rrwert. Dies be deutet. dass u nab h äng ig von de r Hö he des Ant riebs mo-
me nts im me r de r durch d en Nen nspe rrwert festgelegte Prozentsatz desjeweiligen Ant riebs-
mom e nts .umgclcitcr' w i rd.
Ein rein schlupfabhäng iges Sper rd ifferential erzeugt in A bhä ngigkeit von der a uftre-
te nden Dre hzah ldiffere nz e in vom Antriebsmo men t u nabh ä ngiges Brem smom en t. Bei
kleinen Antr iebsmomenten stellen sich also höhere. bei großen Antr iebsmomenten kleinere
mo ment a ne Spe rrwerte ei n. Die Einfl üsse solcher Sperrdifferentiale au f das Fahr- u nd T ra k-
tionsve rhalten eines Fahrzeugs können also nur durch den Verlau fdes ausschließlich von de n
auftretenden Differen zd reh zah len abhängigen Bremsmoments ges teuert werden [MI I].
Zusam menfassend können folgende Prinzipien vo n Sperren le stgestellt werde n:
a) voreingestelltes Sperrmoment . z , B. Klaue nk upplu ng. Reibla mellenpaket mit Fede rvo r-
spa nnu ng.
b) dreh zahlabhängiges Sperrmoment. r . B. Visco-Kupplung, Rciblammcllcnpakct du rch
Drehza h ldi fferenz betä tig t.
e) drehmome nta bhä ng iges Sperrmome nt . r . B. Torsen-Diffe renzial .
d ] reg elb a res Sperrmoment. z , B. elek tronisch geregeltes Spe rrdiffe renzi al.
Spe rrdiffe renziale zeigen bei Rennfahrzeugen einige Vorteile. Das Herausbeschleu nigen
aus einer Kurve e rfolgt m it Sperrdifferenz ial in de r Regel sc h neller a ls oh ne. Das wird auc h
bei Fah rzeugen festgestellt. die das kurveninnere Rad ga r nicht zum Du rchd rehen bringen.
D ie Fah rleistu ngen wer de n a uch bei ste he nden Sta rts verbessert. Das Fahr ver ha lten ka n n
von einigen Ba uarte n vo n Sperrdifferenz ialenjedoch so beeinflusst wer de n, d ass d er Fah re r
se ine n Fahrst il daran anp assen muss [M15].
Selbstsper rdtffcrenz fal mit Lamellenkupplung limited slip differential. Dieses Differen-
zial ist bei Ren nfahrzeuge n u nd bei sportlic hen Pk w weit ver brei tet. D ie Sperrw irkung ei nes
Selbsts perrdifferenzials mit Lamellenkupplung beru ht aufderd reh mom entabhängigen inne-
ren Reibu ng, die in zwei im Differenzialkäfig symmetrisch angeordneten Lam ellenku pp-
lu ngen erzeugt wird. Die Selbs tspe rr ung ergibt sich aus ei ne r Kom binat io n vo n Lastabhän-
gigkeit u nd Federbelas tu ng der Lamellcnk upplu ngen. D ie las tab hä ngige Sperrwirkung. Bild
;\1-67. be ru ht darauf. dass das in den Differenzialkäfig (I ) ei ngeleitete Ant riebs moment über
den Differenz ialbolzen (2) auf zwei Druckr inge (3) übe rtrage n wird. die verdrehfest. aber
ax ial versc hiebbar im Differenzialkäfig (1) angeordnet sind. Unter Last entstehen an de n
Fläche n der prismenför migen Ausnchmungcn (8) in den Druckringen. siehe Detail und Bild
;\1-6tt selbs ttät ig Sperrkrä fte. d ie die Kupplu ngsiamd ien z usa m menp resse n. D ie A ußen-
lamel len (5) sind verdreh fest mit de m Differenzialkäfig (1), und die Innenlamellen (4) sind
ver dreh fes t m it de n Achskegelräde rn (6) verbun den . Dad u rch setzt der Reibschluss zwisc hen
den Lamellen unterschiedlichen Drehgesc hw indigkeiten der Achswellen. etwa be im Durch-
drehen ei nes Rads . einen ge na u defi n ier ten Widerstand e ntgegen . D iese Wirkung verst ärk t
sich mit zunehme ndem A nt riebsmome nt. Da die Sperrkräfte de m übertr agbaren Mo me nt
propo rt ional si nd. passt sich die Sperrwirkung. n icht aber de r Spe rrwert. dem verä nderlic he n
Motormoment und auch der Drehmomentsteigerung in den verschiedenen Gangstufen an.
M
1695
MAnt riebs strang
J
1 Differenzialkäf ig
2 Differenzia lbolzen
3 Druck ringe
4 Innenlamellen
5 A ußenlamellen
6 Achskegelräder
7 Teller/adern
8 A usnehmung
9 Tripodentopf
Bild M·67 Se'bstsoerrdttterenziat mit Lame llenkupplungen (Bauart Drexler] Ilmited slip differential.
Ob erer Halbschnitl: Differenzial ohne Vorsp annung without preload.
Unte rer Halbschnitl: Diffe renzial m it Vorspannung über Tellerfedern preloaded by Belleville springs .
Die Zunahme des Spe rrmoments über de m Antriebsmoment beeinflusst die Ausfü hru ng
der Ausnchmungcn in den Druckringen. Bild :\1-6l't Die Seitenflächen der Ausnchmungcn
arbeiten als Rampe und de r Differenzialbolzen als Spreizkeil. Ist die Rampe flach (Bild
M-oSb). so genügt ein geringeres Antriebsmoment um dasselbe Sperr moment durc h die
Lamellen hervorzu rufen. das eine steile re Rampe (Bild M-6Xa) erst bei höherem Antriebs-
moment erreic ht. Außerde m besteht bei diesem Typ des Spe rrdifferenz ials die Möglichkeit
die Rampen in Antriebs- und Schleppmomentrichtung anders zu gesta lten. Das Differenzial
hat dann beim Beschleunigen und beim Bremsen unterschiedliche Kennungen.
Die zur Vorspannung der La mellenkupplung einba ubare n Tellerfedern 7 (in der unteren
Schnitthälfte von Bild M-67 dargestellt) erzeugen eine vom übert ragbaren Moment unab-
hängige. konst ante Initialsperrwirkung. die abe r gelegentlich durch Knarrgeräusche auf
sich aufmerksa m macht. Bei einem Formel-Renault-Wagen beträgt das Gru ndspe rrmoment
4 Differenzial
M
Bild M - 68 Selbstsperrdifterenzial: Funktion der Druckringe.
Links sind d ie Druc kringe und d ie Differenz ialbolzen m it den Ausgle ichskege lrädern dargeste llt. Der Pfeil
we ist auf eine A usnahmunq hin. a . b, c stellen untersc hiedliche A usführungen von Ausnehmungen im
unbe lasteten Zustand (oben) und un ter Einfluss eines Antr iebsmomen ts (unten) da r.
eines ncucn Differenzials 78 Nm (mit einer Toleranz von - 14,5 bis + \0 Nm). Im Gebrauch
sinkt dieser Wert um ca. 30 % . Man er reicht so eine Sperrbereitschaft auch bei extrem
ungünstigen Fahrbahnzuständen (z. B. ein auf Glatte is stehendes Rad) oder bei Abheben
eines Rads. Trotzdem bleibt der Nachteil bestehen. dass ein solches Differenz ial immer
ein schlupfabhängiges Grundsperrmoment aufweist. Dies ist u. a . beim Einparken und bei
schlupffreier Kurvenfahrt unerwünscht.
Die momentenabhängige Anpressk raft kann auch durch die Verzahnungsspreizk räfte des
Kegel raddi fferenzials als aus schließliches Mittel zu r A nprcss ung verwendet werden . Diese
Anpressk räfte sind etwa um einen Faktor 3 kleiner als die mit Druckringen erreichbaren.
Bild M-69
Kennfeld eines
Sperrd ifferenz ials.
Liegt ein Betriebspun kt aus lin-
kem und rech tem Moment im
grauen Bereich, so sind die bei-
den Seitenwellen miteinande r
verbunden. Außerhalb des grau-
en Felds tri tt eine R elativdr ehung
de r Wellen zueinander auf. Eine
Vorspannung erweitert den Be -
reich, in dem nur kleine Momen-
te an den Rädern auft reten, um
einen konstanten Wert.
650
975 1300
( Nm)
i
··-'-..·..·.... t
i.
!
....•..•_ ,I . ..• ._. _ ..!._. _
._. _)
..-
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:
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c
. 975 1...... j
'"
- 1 3 0 0 +-_..;._~__ ;-_+_~_ _~_.;-_..;..._
· 1300
· 975 ·650 ·325
0
325
Drehmoment l i nks
~ 650
~ 325
s:
u
•L
1300
MAnt riebs str ang
Weiterhin ist der Nachtei l zu beac hten, dass sich während des Selbstspe rr- bzw. Ausgleich s-
vorgangs der Zahneingriff der Kegelräder negativ verändert, weil die anzupresse nden Rci-
bungskupplungcn nicht spielfrei sei n dürfen.
Kurven-Setbsts perrdlrtere nztal cam und puwl. An vielen Rennfahrzeuge n wird dieses
nicht ei nstellbare Sperrdifferenzial eingesetzt . Die linke und rechte Seitenwelle werde n mit
Gleitstei nen über Kurvenbahnen verbunden. Ocr Achsantrieb erfolgt über den Rollen käfig.
der die Umfangskraft auf die Gleitstein e überträgt. Im zugkraftfreien Zusta nd können sich
die beiden Antriebsräder unabhängig voneinander bewegen. Sobald das Antriebsmoment auf
die Gleitstein e wirkt, sper rt das Differenzial. weil die Anzahl der Kurvenscheitel bei Innen-
und Außenbahn unterschiedlich ist. Drei bis vier Gleitsteine klemmen zwischen den Ramp en
von Innen- und Außenring und übertragen da s gesamte Moment. Allerdings sperrt es nicht
völlig. das kurveninnere Rad kann nochjc nach Anzahl der Erhebungen und Rampenwinkel
der Kurvenbah nen durchdrehen. Die Gleitsteine könncn ju dem nacheilenden Ring in radiale r
Bild M- 70
Korven -Se jbstsoe rrcntterenztel m it radialen
Kurvenbahnen (ZF).
Einige Gleilsteine zwischen den Kurvenbahnen
verkeilen die beiden Naben. sobald ein Moment
übe rt ragen wird oder der Drehzahlunterschied zwi-
schen den Naben zu groß w ird
1 Rollenkäfig eage
2 Differenzialkorb differential housing
3 Gleitstein pawl
4 Nabe mtttnnenbatm inner earn
5 Nabe m it Außenba hn ooter cem
698 1
4 Differenzial
Richtung folgen. Es ist wa rtu ngsintensi v und zeigt vor allem bei Reifen mit hohcr Haftung
starken Ve rschle iß. So müssen diese Einheiten etwa a lle 600 bis 1000 km ausgetau scht wer-
den [M13]. Versch lissene Differenziale arbeiten wie offene Differenziale. allerdings ändert
sich mit fortsch reitendem Verschleiß da s Sperrverhauen. was die Einschätzung des Fahr-
zeugverhaltens für den Fahrer erschwert. Die Sperrwirkung setzt beim Beschleunigen abrupt
ein. was die Stabilität des Fahrzeugs negativ beeinflusst. Hersteller: z. B. Hcwland , ZF.
Selbstperrdlfferenzta l mit Sch necke nr äd er n {Tor-s e n) torsen. Quoife , Das Torsc n- Dif-
fcrcnz ial (von tamve ~.I"ing """ drc hmomc ntfühlc nd] wird sowoh l als Ausgleichget riebe
zw ischen den Rädern einer Achse (Q ucrausglcich) als auch als Verteilerget riebe zw ischen
den Achsen ei nes Allradantriebs (Längsausgleich) eingesetzt.
Der Antrieb erfolgt über das Tellerrad des Achsget riebes (Pos. I in Bild ,'\1-71) und damit
über das Differenzialgehäuse (2). Im Differenzialgehäuse sind sechs Schneckenräder (5)
gelagert, die das Moment zu den Schnecken (3. 6) der Abtriebswellen links (4) und rechts (8)
leiten. Die Schneckenräder stütze n sich im Gehäuse axial ab. Die Schnecken sind durch die
M
r\
s
,
1 Tellerrad crown wheel
2 Differenzialgehäuse
differential housing
3 Schnecke linkS
worm gear tett
4 Abtriebswelle linkS
half sre tt tett
5 Schneckenräde r
planetary worms
6 Schnecke rech ts
wortn gear rlght nera
7 Anlaufscheiben
thrust wesoers
8 Abtr iebswe lle rechts
half shaft rlght hand
Bild M -71 Tarsen-Differenz ial.
Links oben: teilgeschnittene Darstellung , rechts : Badsatz. wobei ein Schnec kenradpaa r aus Grü nd en der
Übersicht nicht dargestellt ist, unten: SChnittdarste llung.
MAnt riebs strang
drei kämmende n. g leich mäß ig am Umfang verteilten Sch neckenräder rad ial ge führt . Ax ial
laufen die Schnecken über Anlaufscheiben (7) um Ge häuse oder an der Nachb arschnecke
an. Bei Geradeausfah rt mit gleichem Abtriebsmome nt an beide n Rädern läuft das gesa mte
Differenzial als Block um. Bei Kur venfahrt kommt es zu einem Drehzahlau sgleich. weil
jeweils zwei Sch neckenräder benachba rte r Achsse ite n über St irnvcrza h nu ngc n an ihre n
Enden gekoppelt sind. Die Steigung der Sch necke n lassen zwar wege n ihre r Größe keine
Selbs them mung z u. die von d e r Gleitbewegu ng he rr ührende n Reibungsve rluste sind jedoch
wie bei alle n Sch neckent rieben so groß . dass sie als Sperrmoment dienen können. Gleich-
ze itig kommt es durch den umfangskraftabhängigen Axialschub der beiden Schnecken zu
weite rer Reib ung zw ischen den An laufscheiben und de m Gehäuse. Du rch die Gestalt ung
der Anlau fscheibe n. d ie wie Kupplungslamellen wirken. ka nn die Höhe des Sperrmo-
ments bee influsst werde n. Außerdem wird de r Sperrwert nochmals durch ei ne absic htliche
Fehlanpassung der Verzah nungen von Schnecken und Sch neckenrädern erhöht, Die Aus-
wirk ungen zeigt Bild ,\ 1·72 .
Für den Aufba u der Sperrwirkung sind ein positives Ant riebsmoment und eine Diffc-
renzdrehzah l zw ischen de n Abtriebswelle n e rforde rlich. Lieg t kein Antrie bs mo me nt a n,
..
vic z. B. im Schiebebetrieb. ist die Sperrw irkung aufgehoben. Beim Bremsen wirkt dieses
Differenzial also ähnlich wie ei n offe nes Differenzial und ist somit ABS- tauglich.
Bei einem offenen Differenzial diktiert bei unterschiedlicher Haftu ng links und rechts
das Rad mit dem geringere n Reibwert die mögliche Zugkraft der Achse. Seide Räder kön-
nen nur die Zugkraft des .xcbwäcbcrcrr' Rads aufbauen, also in Summe gc nau das Dop -
pelte. Bei einem Tarse n-Differenzi al kommt in einer solc hen Situation noch das Spcmno-
mcnt zw ischen den Achsen hinzu , so dass je nach Höhe des Sperrmoments bei nied rigen
Fah rbah nreibwert en d;IS Rad auf der güns tigere n Seite das 3- bis 6-fache des Nachbarrads
übertragen ka nn, BilJ M-72.
Torse n- Differen ziale bew irken von a llen Selbstsperrd iffe renzi alen d as ger ings te Le is-
tungsu ntcrstcucm.
1,0
0,8
[-J
0,2
0,4
0,6
Reibwe r t rechts Il- •• r.
....._
.•. _
.._---_._ .. ---------~_._.
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... _
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Bild M -72 Kennlinien von Torsen-Ditterenzteien.
Neben zwei unterschiedlichen Tarsen Differenzialen mit einer Momentenauttejunq (TBR) von 3 : 1 und
6: 1 ist zum Vergleich die Kennlinie eines offenen Dnterenzials eingezeichnet. Durch das Sperrmoment
des Tarsen-Di fferenzials kann das Fahrzeug besonders bei einseitig niedrigen Reibwerten eine wesent-
lic h höhere Zugkraft aufbauen .
4 Differenzial
vt cmentenvertetlendes Differenztal rorque vectoring differential, Neben dem Behindern
bzw. Sperre n der Ausgleichsfunktion gibt es dur ch die heutigen Möglichkeiten meehatro-
ni eeher Syste me Weiterent wicklu ngen in Richtung ak tiver Differen ziale. Diese können die
Stab ilität des Fahrzeugs erhöhen bz w. aufrechterhalten indem sie das ausbrechende Fahr-
zeug mit einem Gegen-Giermoment abfangen oder indem sie ein aus der Kurve beschleu-
nigendes Fahrzeug im Sinne der Kurve drehen. Bild :\1-73 zeigt beispielhaft die Funktion
eines solchen aktiven Differenzials.
Eine Vorgelegewelle (3) wird über ei ne zus ätz liche Stirnra dst ufe (2) vom Achsgctr lc-
bc ( I) anget rieben. Die Vorgelegewelle ist dreiget eilt und kann über zw ei Reibk upplungen
(4) verbunde n werden. Im normalen Fahrbetrieb sind bcidc Kupplungen (4) offen und das
Ausgleichsget riebe arbeitet als offenes Differen zial. Soll nun die linke Seitenwelle mehr
Momen tena ntei l erhalten. so wird d ie linke Kupplung akt ivier t. Die Übersetz unge n sind so
gewählt. dass die Vorgelegewelle die Seitenwelle etwas rascher rotieren lässt als der Achs-
ant r ieb (et wa 10 % schneller). Die lin ke Seitenwelle wird in d iesem Beispiel also beschleu-
nigt, währ end die rechte Seitenwelle bei gleich bleibender Antriebswellendrehza hl durch
das Ausg leichsget riebe verzöge rt wird . Damit kann auch e rhöhtes Moment an das (schncl-
lcr drehende) kurvenäußere Rad geleitet werden. Die Ansteuerung der beide n Kupplungen
erfolgt über ein Steuergerät. Dieses erfasst über Sensoren den Fahrzus tand des Wagens
(Längs. und Querbeschleunigung. Gierbewegu ng. ...) und errechnet über eine Strategie die
Modulation der Kupplungen. Bcid c Kupplungen dürfe n nie gleichze itig geschlosse n sein.
denn das würde das System blockieren.
Über hydrau lische Akt natoren k önnen auch Lamellensper rdifferenz iale elektron isch
beeinflusst werde n. Dabe i wi rd ein Sperrmoment in Abhä ngigkcit der Radd iffer enzdreh-
zah len und/oder des Motor-Eingangsmoments eingestellt. Bild M-96 zeigt ein Ausgleichs-
get riebe dessen Sperrw irk ung über hydraulische Lamellenkupplungen beeinfl ussba r ist.
M
1 Antr iebswe lle des Achsart-
triebs input snstt final drive
2 Stirnrad. mit Telle rr ad ve rbun-
den spurgear
3 Vo rgelegewelle lay sha ft
4 Reibkupplungen
friction clutches
5 Flansch der Seitenwellen
flange of a)(le snstts
Bild M -73 Aktives Differenzial , nach [M14).
Das Ant riebsrnoment d er Ant riebswelle (1) gela ngt über Stirnräder (2) zusätzl ich zum üb lichen Pfad ü be r
das Diffe renzial auch zu r Vorgelegewelle (3). Von d ieser kann es nach Beda rf über eine der beiden Reib-
kupplungen (4) gezielt auf eine de r beiden Seitenwel len (5) geleitet we rden.
MAnt riebs strang
Werde n zwei solche r Lamellenkupplunge n sep arat für jede Abtriebseite vorgesehen. kann
das Ant riebsmome nt durch u nterschiedliches Betätigen der Kupplungen gez ielt aufdie Sei-
t onwellen aufgeteilt werden. Jn Bild ;\I ~74 ist solch ei n hydra uli sche r Ak t uutor fü r e ine Seite
des Ausg leichsget riebes dargestellt. Natürlic h ist ei n zusätzlicher elektronischer Steuerauf-
wand mit entsprechenden Sensore n und Hydraulikkomponenten für die Funktion eines sol-
chen beein flussba ren Differenzials erforderlich.
Solche beei nflussbaren Differenziale wirke n allerdings keine Wunder. Aufder Ru ndstre-
cke beeinflussen sie kaum die Rundenzeit oder die Art wie das Fahrzeug zu fahren ist. Die
Hauptvorteile ergeben sich d urch die höhere Stabi lität bei m Besch leunige n sowie Bre mse n
und d urch ei ne höhere Lenkwilligkeit des Wagens beim Einle nken unter Last [M 14).
1 Außenlamelle
ouer friction plate
2 Druckring thrust ring
3 Innen lamelle
inner tacuon plate
4 Aing kolben mit Dichtringen
annular piston with seaJing
rings
5 Hydraulikllüssigkeit
hycJrauiic fluid
6 Axiallager thrust bearing
Bild M -74 Hydraulischer Aktuato r für ein beeinfluss bares Differenzial.
Der Ringkolben (4) presst das Lamellenpaket (1, 3) durch den hydraulischen Druc k zusammen , Dadurch
überträgt das Paket ein gew isses Sperrmoment zwischen Ditterenzialqebäuse und Ausgleichskegelrad
bzw Seitenwelle .
5 Wellen Shafts
Die Hauptfunktion von wellen ist es cm
Drehmoment z u übertragen. Durch die tat-
sächliche Art ein Dreh mome nt in die Welle
einzuleiten entste hen mitunt er a uch Biege-
mome nte. Dies ist beisp ielsweise bei Za hn-
rädern . Kette nrädern usw. und bei Kreuzgelenken der Fall. Für ei ne Grob ausleg ung des
kleinste n Welle ndurch me sse rs soll nur di e Hauptfunktio n besti m mend se in:
16T
D?= '-' --
1t r ts.zul
1
16T
D>
~
-
~l-(d/D)4 1t fls.zul
5 Wellen
D
Außend urch messer eine r Wel le [m m]
d
Innendurch messe r ein er Hohlwelle [mm]
T
Dreh mo ment [Nmm]
TI S,z u ] zu lässige Torsio nss pa n nu ng des Wellenwe rk-
stoffs [N/mm2].
Tls,zu] "" TIS.sch/1 2 z ur Berücksichtung noch
n icht bekannter Biegemom e nte u nd Ke rbe n
M
Je nach Einba uo rt im Fahrzeug wer de n Längswe llen (vom Mot or z u m Ac hsget riebe) u nd
Seitenwellen (vo m Ac hsgetr iebe z um Rad) untersch ieden .
5 .1 Antriebswellen Prop(eller) shafts AE: Drive shafts
Antriebswellen haben die Aufg abe das Drehmome nt und die Drehb ewegung des Motors
übe r einen gewissen räu mlichen Abstand weiterzule iten. Sie werden somit bei Fahrzeugen
m it Standardantrieb und bei Allradfahrzcugc n (siehe au ch Bilder M-106 und M-107) benö-
tigt. Mittelmotorfahrzeuge haben das Getriebe üblicherwei se direkt am Motor ange flanscht.
dadurch entfal lt die Ant riebswel le. Es exis tier t auch ei ne Mischbauform . bei der der Motor
vorne und d as Schaltgetrie be hinten im Fah rzeug angeordnet sind. Dazwischen läuft eine
Antriebswel le mit Motordrehzahl (Transaxle-A nord nung). Beim Pkw ist zusätzlich von
Bedeutung, dass bei ei nem Fronta laufprall die Gelenkwelle auch Längskräfte zwischen de r
Motor-Get r iebeeinheit und d er Hint era chse überträ g t. Dies e rfordert auc h eine c rashgcrcch -
te Gestaltung der A nt riebswel len. Die Welle soll dabei im Crashfall möglichst rasch vcrsa -
gcn. damit da s Fahrzeug-Crashverhalten nicht von ihr negat iv beei nflusst wird.
Dureh die Distanz zw ische n den Wellenende n füh re n kleine (unve r me idbare) Vcrfor-
mungen des Rahmens zu merklichen Verschiebu ngen de r Anschlussfl ansche. Aus de m
Grund werden Antrie bswellen als mehrteilige Gelenkwellen ausgeführt, Bild ~1-75. Darü-
ber hinaus lassen sich star re Wellen durch die Summie rung der Fertigungstole ranzen nicht
verspannu ngsfrei zwischen Aufnah mestellen verschrauben, di e nicht direkt miteinander
verbunden sind. Das ist z. B. schon der Fall, wenn das Getriebe vorne und das Achsgenie-
bc hinten am Rahmen verschraubt ist. Kom mt es zu einer Relativbewegung zwischen de n
Ansc hlussstel len der Welle (z. ß. wenn das Achsgetriebe mit der Achse mitfcdcrt], wi rd
auc h ein Längenausgleich de r Gele nkwelle e rforderlich .
Den Ein sat z e iner Antr iebswelle bei einem Tourenwage n m it All rada ntr ieb zeigt Bild
M-107.
Beim Sta ndardantrieb dreht sich die A nt riebswell e üblicherweise (d. h . bei einem ko axi-
alen Vorgelegegetriebe) in dieselbe Richt ung wie de r Motor, a lso aufdie Kupplung gese hen
entgegen dem Uh rzeigersinn. Du rch den Dreh sinn ergibt sich de r g rundsätzliche Aufbau
eines Kegel rad-Hinterachsget riebes. In dem Fall sitzt de r Triebling in der Mitte und das
Telle rr ad in Fahrtrichtung links. Kom mt ein ei nst ufiges Get riebe zu m Einsatz, d reht die
Antriebswelle entgegen der Moto rdrehrichtung und das Hinterachsgetriebe benötigt das
Tellerrad aufder rechten Seite, vgl. dazu auch Bild M-106.
MAnt riebs strang
Bild M-75
Gelenkwe lle mit Kreuzgelenken
und l äng enau sgleic h. Z-Anord-
nung,
Oben: Ansicht, unten: Sinnbild.
1 Verb indungswelle
connecting sre tt
2 Gelenk joint
3 Zwischenwe lle
intermediate sha ft
ß Beugew inkel diffraction angle
Gele nke joints . Als Gelenke für Längswellen kommen Kreuzgelenk e (Hook's joint).
Gleichlaufgelenke (siehe Absch nitt 5.3) und Klein win kelgelen ke in Frage. Kreuzgelenke
(auch Kardang.) weisen einen verhältnismäßig einfachen Aufbau auf und arbeiten sehr ver-
lustarm. haben j edoch de n Nachteil, dass die Ausgangsdrehza hl gege nüber de r Einga ngs-
drehzahl zyklisch schwankt. Die Abtriebsw elle wi rd also bei gle ich bleibe nder Drehzahl
der Antriebswelle während ein er Umd rehung beschleun igt u nd wieder verzögert. Das kan n
nur verh inde rt werden, indem die Wirk ung zwc icr Kreu zgelenke einander aufbeben. Je
nach Ano rdnung der beiden Kreuzgelenke spricht man von Z- oder von W-Anordnung,
Bild .\1-76. Auch wenn so die Abtriebswelle gleichmäß ig rotiert, die Zwischenwelle wird in
jedem Fall beschleu nigt und verzögert. Für kleine Beugewi nkel « ]0) ist die Unglcich för-
migkcitjedoch noch so klcin, dass sie tolcricrbar ist, Deshalb findet sich dieses Gelenk auch
noch bei Pkw-Längswellen.
Gleichlau fgelenke übertragen zwar die Drehbewegu ng auch im gebeugten Zusta nd
gleichförmig, sind aber relativ schwer. Weist die Gelenkwel le nur k leine Beugew inkel auf.
macht sich die größere Masse kaum bezahlt.
Kleinwinkclgclcnkc (elastische Gele nke) stellen eine interess ante Alternative z u den eta-
blierten Lös ungen dar. ßild 1\1-77. Im Prinz ip arbeiten sie wie ein e Ha rdy-Schcibc: Zwei
sta rre Flansche we rde n mi t einer elast ischen , b iegeweichen so ge nannte n Ftcx- D isc ve r-
bunden. Die maximalen Beugewinkel betragen etwa 1.5°. Die Plcx-Disc ka nn aus Stahl
Antrieb
a
b
704 1
-
I
~
2
•
"'" I
Abt ri eb
3
Bild M ·76
Anordnungen zweer Kreuz-
ge len ke zu r Kompensation de r
Drehung leich förm igkeit
esooeoce 01 non -uniformity.
a Z-A n or d nu n g Z-conliguration
b W-A nor dnung W-configur8tion
1 An triebswe lle drive shalt
2 Zwi schenwelle
intermediate sha ft
3 Abtriebswe l le onoot shaft
Dam it die Drehzah len n , und n3
der An- und Abt riebswellen i m m er
gle ich sind . müssen d ie Winkel #,
und ßz gleich groß sein .
5 Wellen
Bil d M -77 Kleinwinke lge lenk a us Kunststoff.
Eine Faserverbundstoff-wel le w ird m it einem Dre iarmflansch a us Ku nst st off verk lebt. Zw isc h en de n bei-
den Flanschen übe rträgt eine vert oncwerkstotrscreice das Drehmoment.
ode r Kunststoff sein. Die Kunststoff-Va riante (Composite Disc) besteht aus faserverst ärk-
tcu Lage n. Die Abwi nkclba rkcit wird durch die elasti sche Dehnung der in duroplastisoher
Matrix e ingebette ten Glasfase rn er mög licht. Diese G elenke sind für hohe Drehza hlen
gee ignet. weisen Gleich laufeigenschaften auf und benöt igen keine zu sätzlich e Zcnt ricr ung .
A llerdings sollten sie aufein e r Welle zu sa mme n mit eine m Gleic hlaufversc hiebegelenk ei n-
gese tzt we rde n. Das ve rme idet mehra chsige Spannungszustä nde in de r Composirc Disc.
was beso nders beim scharfe n Anfahren. wo durch den fehlende n Längsausgleich neben
dem Dreh mome nt und de m Beugew inkel a uch eine Axia lkraft wirkt . der Fall ist (M33]. Die
Dreia rmflan sche können ebenfalls aus Kunststoffsei n und nehmen die Verbind ungssc hra u-
ben in Metallinserts auf.
Typische Verwe ndu ngen von Gelenken bei Längswe llen sind in Ta belle ~1-9 aufgelistet.
vgl. euc h Bild M-HO.
Tab . M -9 Ge lenksanordnungen von Längswellen [M35)
Ein bauort
Get riebeseite Zw i sch enl ag er A c hsgetriebeseite
M
Gelenksart VL/HS
GI/HV
Kreuzgelenk
elastisches Gelenk
Gelen ksoezeichnunqen- siehe Abschn itt 5.3 .
Durch dynamische Vorgänge wird das maximale Dreh moment. das Gelenkwellen übertra-
gen müssen . se hr viel größer als es dem Motorne nn moment umgerec hnet mit der Überset-
zung der Gele nkwelle nebene ents pricht. Als Fau stregel kann man bei erste n Kalk ulationcn
vom Doppelte n des Motorne nn mo ments a usgehe n. Beispiel haft zeig t Bild :'\1·7101 den zeit-
lichen Verlauf des Gelenkwellenmoments bei ei nem Knallsta rt. Dabei wird d as getretene
Kupplungspedal bei hohcr Motordrehza hl im ersten Gang schlagar tig losgelassen. Im Dia-
gra mm ist das Gele nkwelle nmoment auf das Moto rmome nt bezogen und auf diese Stelle
umgerech net.
MAnt riebsstrang
1,5
Zeit Is j
2
o Kupplung + ReHen r utschen
~ Kupplung haftet , Reifen r utscht
rz.a Kuppl ung + ReUen haften
2,5
Bild M·78 Lastüberhöhung be i hochdynam ischem Anfahrvo rgang, nach [M 3 0].
Das Moment de r Gelenkwelle erreicht an fangs das Dreifache und be im Übergang von Gleiten auf Haften
der Reifen das Doppelte des Motornennm oments.
Unmittelba r nach dem schlagartigen Einkuppeln erreicht das Moment der Gelenkwelle den
Höchst wert mit dem Dreifachen des Moto rncn nm omc nts (also ta tsäc hlich das dreifa che
Motor moment mal Getriebeübersetzu ng de s ersten Gangs) . Man erkennt am zeitlichen Ver-
lauf, dass sich eine Schwingung ausbildet. In der ersten Phase sind Motor- und Fahrzeug-
ma sse noch c ntkopp clt. weil Kupplung und Reife n ruts chen . Die Frequ e nz der Mome nten -
schwing ung ist daher mit 13 Hz noch relativ hoch. Sob ald die Kupplu ng z u haften beginnt,
ist die Motor masse Teil des schwingenden Systems und die Frequenz sinkt auf etwa 10 Hz.
Schließlich erreichen die Reifen ihre Haftgrenze und somit kommt auch die Fah rzeugm asse
ins Spiel. Die Frequenz sinkt weiter auf etwa 3 Hz. Es bilden sich Rucketschwingungen
aus. Beim Übergang in die Phase des Rcifcnhaftcns erreicht das G elenkwellenmoment
eine zweite nennenswerte Überhöhung. nämlich auf etwa da s Doppelte des Motornennm o -
mcnt s.
Btegek r tnsche Dreh za hl whiriing speed. Ein w ichtiges Kriterium für Gelenkwellen ist
die biegekritische Drehz ahl. Das sind jene Dreh zahlen, bei denen das schwingungsfähige
Syste m Welle plus Zusatzmas sen in Resona nz gerät. Diese kritisc hen Drehzahlen si nd von
der Stei figkeit ( Durchbicgung) und de r Masse abhä ng ig. Die Steifigkeit wird durch den Lage -
rahstan d. den Wel lenquerschnitt und durc h den Wel lcnwerks toff (E - Mod ul) bee influsst. Für
ein System mit n Teilma ssen existieren n kritische D rehza hlen. wobei meist die kleinste von
Interess e ist (Gru ndfrcq ucnz). Bei glat ten d urchgehe nden Wellen kann ma n sich das Syst e m
aus unendlich vielen Teilmassen vorstellen und demnach gibt es auch unzählbar viele kri -
tische Drehzahlen. Durchbiegu ngen durc h Zahnkräfte oder sonst ige radial auf die Welle
wirk e nden Kräfte habe n kei nen Einfluss a ufdie kritisc he Drehzahl, weil sie keine ..Flieh-
kräfte" veru rsachen. Ebenso ist die Einbaulage der Welle ohne Bedeut ung. A nhaltswerte
für die ersten vier biegekritischen Drehzahlen glatt er Wellen aus Stahl zeigt Tabelle :\1410.
5 Wellen
Tab . M -10 Biegekri t ische Dreh zahlen glat ter St ahlwellen [M 32].
Lagerung
"kr" .l [min -1]
nkrlt.2 {min - 1] "krit,3 [m in-1j nkrtl,4 [mi n- 1]
f reiauflieg end e (. kugelig·
122.5 · 1Q6 ·dl(2
4nkrtl1
9nkr11,1
16nkf~,1
g elag erte) Welle,
z. B . Pendellager
an b eid en Enden einge-
277.7 ·106· d l (2
2.80krit.1
5.490k'~.1
8,90k,,1 .1
span nt. z. B . sehr starre Lag er
ein Ende eingespannt , ein
43.6 ' 1()6·diP
6.276nl<f~,1
17,55nknt. ,
34.41nl<"t.1
Ende fr ei (. f1iegen de· Welle)
dWelle ndurchmesse r [m m]. / Lage rabstand bzw . Wellenlä ng e [mm]
Wie sich der Werkstoff einer Gelenkwelle auf die biegekritische Drehza hl auswirk t
ze igt Bild 1\1 -79. Dabei wi rd de r Lagerabst and so ve rä ndert. dass die k ritische Drehza hl
7000 min - t wird. Es folgt daraus bei gegebenem Wellendurchmesser eine kritische Länge.
ab der die Welle bei 7000 min-t in Resonanz gerät. Die betrac htete Welle müsste also im
Einsatzfall kürzer ode r mit größerem Durchmesse r ausgeführt werden . Komm t keine der
beiden Maßnah men in Frage. z . B. weil Platzgrü nde dagegen sprechen. so bleibt nur noch
die Lösung mit eine m oder mehreren Zwischenlager n. Aus de m Bild ist zu erkennen. dass
CFK-Wcllen auch bei größere n Radständen des Fahrze ugs noch einteilig ausgeführ t werde n
können. während Stah l oder GFK-Wcllcn womöglich schon ein Zwischenlagcr be nötigen.
M
0-1---
200
•
•
"C 150
c
•
•
•
•e
s:
~ 100
,
-e
c
~70
~
~50
o
-- - ------ ---,
--- --------- - - --- ------.. -T "
... ... ...l
500
1000
1 500
kritische wellenlänge l kr ll
2000
[mm ]
2500
Bild M-79 Werkstoffeinfluss auf die kritische Länge von Gelenkwellen , nach lM30j.
Dem Diagramm liegt eine k ritisc he Biege dre hzahl von 7000 rr un- " zu Grunde. Das Ab l eseb eisp iel zeig t
die Unterschiede für einen Wellendurchmesser von 70 mm. Eine Welle aus GFK darf höch stens 1200 mm
lang sein. eine aus hochsteifen CFK kann fa st 2000 mm lang sein. bevor sie bei 7000 min - t in Resona nz
gerä t.
MAnt riebsstrang
Dass Stah l- und Aluminiumwellen etwa da s gleich Schwing ungsve rhalte n aufweisen. ergibt
sich aus dem ähnlichen Verhältnis E-Modull Dichtc der beid en Werkstoffe.
Bei der Wellen auslegung ist darauf zu achten. da ss die Höchstd rehzahl einen ..Sicher-
heitsabstand" z ur ersten biegekritische n Dreh zahl a ufweist .
•
J,
Eine einteilige Längswelle hat gegenüber ein er zweiteiligen Ausführung Gewichts- und
Kosten verteile . Trotzdem wird die zwe iteilige Variante mit Zwisch enl ager be i Pkw meh r-
heitlich verbaut. Ocr Grund liegt in derbiegekritischen Drehz ahl und Akustikforderungen.
die bei den geg ebenen Radstände n mit Stahlw ellen nur mit Zwischenlager erfüllbar sind.
Bild l\1~80 zeigt eine solche Längswelle mit Zwisc henlager. Den Getriebeanschl uss (1) bil-
den in de r Regel Verschiebegelenke in Gleichlauf- oder Tripodcnausfilhrung. Beim Zwi-
schenlager (2) ist die Welle aus M ontagegründen geteilt. Im Ans chl uss an dieses Lager
kommt ein Kreuzgelenk (3) zum Einsatz. Die Verbindu ng zum Hinterachsgetriebe wird
über ein elastisches Gelenk (4) herge stellt.
Damit Wellen ih re Funktion mit mögl ichst geringe r Mass e erfüllen. we rden sie in Diffe -
ren zi al bauwei se aufg eba ut. Dab ei kan n jeder Wellen absc hnitt a us de m dafür gccignctstcn
werkstoffbestehen. Die A nschlusss tücke, also G elenkgabeln. Dreiarm flansche oder Zahn-
wellenzapfen. bestehen aus Stahl- oder Alu miniumlegierungen. Die eigentlichen Wellen
werd en rohrförm ig aus Stahl-.
Alu minium- sowie Titanlegieru ngen oder Faserverbund-
werk sto ffen her gestellt. Bei let ztere n e rg ibt s ich durch da s Wickel verfahren e in br e ites
Spektrum an Biege- und Torsionseigenschaften. welches durch Wickelwi nkel (Fascrabla-
gcwinkcl). Mischungsverhält nis unterschiedlicher Fasern und Matri xwerkstoff beeinflusst
wird. Auß erdem haben Wellen aus Faserverbundwe rkstoffen den Vorteil, dass siegege nüber
Stahlwellen bei gleichen Wellendurch messern größere Abstände resonan zfrei überbrücken
können (Bild M-79), also einteilig ausgeführt werden können. Dazu kommt noch der Vorteil
der ge ringeren Dichte gege nüber de n metallischen Werkstoffe n.
Große Bede utung bei solchen Wellen in Differenzialbauweise kommt der Verbi ndungs-
techni k zu. Für die Verbind ung zwischen Hohlwelle n und A nschlussstücken kom men fol-
gende Verfahren zum Einsatz:
K lc bc vcrbindungcn .
K lc m mv crbindungcn.
Pressvcrbindungcn,
Reibsc hweißver bin du ngen .
70S I
J
-:
5 Wellen
/
M
Bil d M - 80 Zweiteilige Welle m it Zwischen lager two-piece shafr with ceoee bearing.
1 An schlus s Gelri ebeseile coupling to the gearbox
2 Zwi sche nlager cerue OO8(;n9
3 K reuzgelenk Hook type joint
4 Anschluss Ach sg el ri eb e mi tte ls elastischem Gelenk coupling 10final drive by flexible fabn'c
Die Wahl des Verbind ungsverfah rens hän gt nebe n Fert igungsaspek ten a uch von de n z u
ve rbinde nden Werkstoffen ab.
Klebeve r bind u ng bonding. Durch Kleben können A nschlussteile aus Kunststoff. Stahl-
oder Alumini um mit Fascrvc rbundsroffwcllcn verbunden werden . Es existieren unter-
schiedliche Verfa hren. Eine Methode de r Fa. G KN soll stel lvert retend vorgestellt we rde n
[M33]. Bild j\J·81 a . Die Fügest el le a m Ansc hlusste il (I) für d ie rohrfOhrmige Welle wird
durch zwe i Zenttierbunde (3) mit dazwischen liegendem konischem Ringspalt gebildet. Die
Welle (4) wi rd übe r die Aufnah mestelle geschoben und da nn der Klebs toff unte r Druck
durch die Boh rung (2) eingebracht. Der Klebstoff breitet sich zunächst in axialer Richtung
aus. bis er a n de n gegen überliege nde n Zentrietbund stößt. wo de r Ringspalt weiter als an
der Eintr ittste lle ist. Ab da verläuft der Fließweg in Umfa ngsric htung. Wenn der Ringspalt
vollständ ig mit Klebstoff gefüllt ist. t ritt dieser an de r gege nüberliegende n Bohru ng (5) w ie-
der aus. Dieses Verfahren gewä hrleist et eine luft freie Verbindung . A ls Klebstoff kommt ein
Einko mpone nte n- Epoxidharz zum Einsatz. Die Verbindung w ird im O ien ausge hä rtet.
Kle mmverbind u ng clatnping . Diese Tech nik wurde für die Verbindu ng von Stahl- und
Alu mi niu ma nschl ussteilen mit Faserver bund rohr entw ickelt. Diese Verbind ung ist jedoch
auch für Aluminiumwel1 en auf Stah lzapfen möglich. Die Aufna hmestel le des A nschluss-
stückes wird mit Übergangssitz in die We lle gesteckt. Zusätzlich wird ein Sta hlstützring
außen über die Welle geschoben. A nschließ end wird der Stütz ring und damit die welle
hydraulisch auf das Ansch lusss tück gep resst (Oucrprcss sitzj, Bild '- 1-81b.
MAnt riebsstrang
a
Bild M · S, Verbind ungen Rohrwe lle zu Anschlussstück.
a Klebeverbindung
b K lemmverbin dung
c Reibschweißverbindung
Pressver bin d u ng press-fit connecuon, Dieses Verfahre n wurde für densel ben Einsatzweck
wie die Klemm verbin du ng entw ickelt. Ocr Hauptuntersch ied zum Klemmen besteht auch
nur im Füge-vorgang. Beim Fügen w ird das End stü ck der Welle mit defi niertem Übe r-
maß in die Welle ged r ückt (Lä ngspresssi tz). Ein Stahlstützring auf der Welle schränkt die
Aufweit ung der Welle ei n u nd siche rt die erfo rderliche Vorspa nn ung zu m Übert rage n des
gew ünschten Drehmome nts .
Retbscbwelü verbtndun g [rictiun weldlng. Mithilfe dieses Verfahrens könne n nicht nu r
Aluminium- sondern auc h Sta h lendstücke mit Aluminiumroh re n p roz esssiche r ve rbun den
werden. Bild 1\1 -I'U c. Be im eigentlic hen Schweißvorgang wi rd das rotiere nde Ansc h lussstück
gegen die Welle gedrück t. bis durch die Reibung eine bestimmte Energiemenge in die Kon-
t a ktzon e einge brach t worde n ist. Nac h Stillsetzen de r Drehbewegung w ird die Artpress k raft
erhöht. Dabei wird nur das Aluminiumrohr plastisch deformie rt. Auch die metallurgischen
Veränderunge n im Schweißnaht be reich (Härtc- u nd Fest ig keitsab fal1) be tre ffe n in erster
Lin ie d ie A lumi niu mwelle. kön ne n aber d urch gczicltc Prozessfüh r ung geri ng gehalten wer-
den. Die statische und dynamische Torsionsfestigkeit dieser Verbindung liegt über der des
Roh res.
Im Gegensatz zu m Schweiße n kommt es bei den Press- und Klemmverb indu ngen zu
keinen Werks toffänderu ngen. Nac hte ilig stehe n de m allerdings d er Stahlst ütz ring und die
erfo rde rliche Überlappung von Wel le und Anschl ussstüc k gegenübe r. was die Masse de r
Verbindu ng e rhöht.
Nebe n de n Wel len in Differenzialbauweise gibt es auch einteilige Leichtb au well en
(Monoblockwel1cn) , siehe Bild M-S4.
5 Wellen
5.2 Seitenw ell en Half shaft, A E: A xle shafts
Die Torsionssteifigkeit hat Auswirkungen auf den Lastwec hselsc hlag. Du rch Aufziehen
des Triebstranges. z . B. bedingt durch ein Schaltmanöver. kom mt es zum sogenannten
Bonanzacffckt. Tritt Lastwec hselschlag und Bonanzacffckt auf, so wählt man eine di cke
Seitenwelle. Bei Torsio nsschwing unge n. ve rursac ht durch den Antriebsstra ng. wählt man
eine verhältnismäßig dünne Seitenwelle. Bei einer langen Welle wählt man einen großen
Welle ndurchmesser bzw. einen Tilgcr. Ein Tilgcr hat den Nachteil, dass er eine zusätzliche
Masse darstellt, weshalb er auch bei Pkw für Wellen kaum meh r eingesetzt wird.
Bei unterschiedlich langen Wellen, wie sie z. B. häufig bei Quermotoren zu finden sind,
treten unterschiedliche Gele nkwinkel auf und allgemei n gibt es Auswi rkungen auf das
Eigenlenkve rhalten des Fahrzeugs. Weitere Folgen sind Reak tionskräfte in der Lenkung.
Auch kommt es zu einer Änder ung des Sekundärmomentes. Abhilfe schafft hier eine Zwi-
sehenwelle. die den Versatz des Achsgetri ebes zur Fahrzeugmitte überb rückt und arn Motor
gelag ert wird. Die beiden Gelenkwellen können so gleich lang ausgeführt werden.
Akustisch kom mt es bei steifen Wellen z u einem Brummen. Bei weichen Welle n ist das
Aufz iehe n neg at iv.
Die Steifigkeiten mü ssen bei jedem Fahrzeugtyp ind ividu el l abges timmt werde n. Dabei
s ind änderbare Para met er: wellcndurchmcsscr und Welle nausführung (Hohlwelle. Mon o-
block usw.} . Absolutwerte. ab wann Steifigkeitsdifferenzen merkbar sind, gibt es demnach
nicht. Stcifigkcitcn der Seitenwellen sind auch eher ein Komfortthema als ein Fahrdyns-
mik problcrn .
Eine Hoh lwell e weist eine wese ntlich ge ringe re Masse als eine Vollwelle auf. Durch Wahl
eines entsprechend g roße n Auß endurchmesser s kann di e Torsionsstei figkeit einer Hohlwel-
le an die der Vollwelle angepasst werden, oh ne dass das Gewicht derVollwelle er reicht wird.
Hild 1\1-82. Nebenbei ist die Biegesteifigkeit der Hohlwel le durch den g rößere n Du rchmes-
ser wesentlich größer als die der Vollwelle.
M
15 00
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1,5 kg
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: Rohrwelle!
--,
Bild M- 82
Einfluss der Wellenkons trukt ion
a uf d ie Masse. nach [M34].
Eine Vollwe lle mit etwa 37 mm
Außendu rchmesser M t eine To r-
sionsste ifigkeit von 500 Nm!' be i
einer Masse von über 2.5 kg. Die-
se lbe Verdrehste ifigkeit erreich t
eine Hoh lwe lle m it ca. 47.5 mm
Außendu rchmesser und 2,5 mm
Wandstä rke bei ein er Masse un -
ter 1,5 kg,
MAnt riebs strang
Bild M-83
Se itenwelle bei einem
Formelwagen
(Formel Rena ult 2000).
Ans ichtvon hinten be i abge-
nommenem H inter rad. Die
abgebildete W ell e führt vom
Achsge lriebeausgang zum
linken Radträger (links im
B ild). Getriebeseiuq kommt
ein Tripoden- und radseitig
ein Gleichlaufkugelgelenk
zum Einsatz.
Am unte ren Bildrand ist d ie
Diffuso rausprägung de s
Un terbodens z u e rkennen.
Kurze Wellen werden meist als Voll- und lange als Hohlwel len ausgebildet. Die Anschluss-
st umm el an Hohlwellen werden angeschweißt oder direkt engeschmiedet. Wobei Schmiede-
teile aus Kostengr ünden den Serienteilen vorbehalten bleiben. Die so genan nten Monoblock-
weIlen stellen eine Weiterentwicklung der geschweißten Rohrwelle n dar. Die Schweißnaht
und damit ei ne Zone der Werkstoffänderung entfallt. Die Monoblockwelle kann auch in
der Gesamtlänge geh ärte t we rden. Aus diesen Gr ünde n können wesentlich gew ichtsg üns-
tigere Wellen dargestellt werden als mit den herkömmlichen Methoden. Aus Kostengrü n-
den wu rde n unte rschiedliche Arten der Herstel lung solcher Wellen entw ickelt. Das beginnt
bei einem einfachen Rohr, dass du rch Zieh- und Hämmervorgängc umgeformt wird. Die
Wandstärke der Welle ist dabei weitgehend konstant. Für hohe A nforderungen an die Fes-
tigkcit und den Leichtbau werden Wellen durch Kombination von hyd raulischem Aufwci-
tcn. Ziehen und Hämmern auf den gewü nschten Querschnittverlauf gebracht. Die g rößten
Material anhäufungcn t reten so nur im Verzahnungsbereich der Endzapfen auf. Die restliche
Rohrkontur kann neben dem Spannungsvcrlauf auch vom Raumangcbot im Fahrzeug dik-
ticr t sein. Bild ;\1~H4. Die minimale Wandstärke sollte wegen Korrosions- und Heulgefahr
nicht deutlich unter 2.5 mm gewählt werden.
Bild M- 84
Leichtba umonoblockwe lle. nach
[M34].
Die Wandstärken sind zur Ge-
wich tseinsparung auf die Belas-
tung hin opt imiert. Die Welle wird
durch Umf ormvorg änge herge-
stellt.
5 Wellen
Längenänd er ung Iength varianon. Bei Einzelradaufhäng ungen kom mt es beim Federn z u
eine r Ä nder ung des Abst ands zwischen de m Ausgang des Achsgetriebes und de m Wellen-
flan sch beim Radtr äger. Bild :\1~H5. Seitenwellen müssen daher eine A rt des Längenaus-
gleic hs (axial ptunge accxnnodutionv sicher stelle n. Bei älteren Fahrze uge n kam eine zw eit ei-
lige Welle mit einer axial verschiebb aren Kerbverz a hnun g z u m Einsatz. Beim Übert rag en
eines Antr iebsmo ments kam es abe r durch von de n Umfangskrä ften hervorgerufe nen Rei-
bung zu einer Behinderu ng des Längenausgleichs. Hild 1\I~H6 (vgl. auch Bild H-184). Elasti-
sche Kupplu ngen aus Elastorncr-Wcrkstoffcn gleichen zwa r axiale und Winkelab weichu ngen
aus , sind aber in ihre r Mome ntkapazität besch rä nkt und b rauchen im Du rchmesser relativ
viel Platz. Die gege nwä rtige Lösung ist ein Beugegelenk als Loslager. das bei entsprechender
Gestaltung und Schmierung sehr reibungsarm arbeitet.
Seite nwe llen. d ie Vorderräde r a nt re ib en. bra uchen z usätz lich einen Lange n ausgleich.
weil sich bei m Lenke n ebe nfalls eine Änder ung des Abstands zwischen den rad- und den
wage nfeste n Flanschen der Welle ergibt.
Seite nwellen. die im freien Luftstrom rotieren, erzeugen Luftverwirbclungen und stö·
rcn die Anströ mung des Heckflügels. Außerdem erzeugen sie durch Reibungseffekte an
M
Se itenwelle
/// /
//
Bild M-85
Länpenänoerunq einer Seitenwelle beim Federn.
Beim Federn bewegen sich d ie Querlenker und die
Gelenkwe lle auf unterschiedlichen Krei sbah nen,
Dadurch ändert sich der Abstand zwischen dem
Radträger und dem Ausgang des Achsgetr iebes
um den Betrag ös. Die Gelenkwel le muss deshalb
in der länge versemebnen sein, sons t blockiert sie
d ie Federbewegunq .
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20
40
60
80
100
Dr ehmoment T ['61
Bild M-86
Widerstand gegen Langenänderung als Funktion
des Drehmoments und des Oberflächenz ustands
von Längenausg leichen [M18).
a Keilprofil Stahl auf Stahl
b polyamid-beschichtete (Rilsan) Keilweilenver-
b indung
c Längenausg leich m it Kugeln
Bei einem Keilwellenp rofil wächst die Beibkra ft,
d ie einem Längenausgle ich entgegen wirkt. linear
mit dem über tragenen Drehmoment an. Durch
Beschichtungen ode r du rch Wälzkörpe r zwischen
den ineinander gesteckten Wellenteilen kann die
Reibung wesentlich red uziert werden ,
M Ant riebsstrang
ihre r Oberfläc he Auft r ieb. Bei Einsitz ern mit f reistehenden Rädern wird daher versucht,
den Wellendu rchmesser k lein zu h allen (gewickelte CFK-Wcllcn sind diesbezügli ch stark
benachteiligt) und die Welle abzuschirmen (Bild M-HH) bzw. zu verkleiden (Bild 1\1-1017).
//// /// //
T
".
/// //
2
1 oberer Q uerlenker
2 Seilenwelle
Bild M·87
Verk leidete Antriebswel le an einem Fo rrnel-t -
Wagen .
Diese lösung fand sich unter anderem beim McLa -
ren MP 4/15 {2000) und beim Williams FW16 {199 4).
Der obere Que rlen ker ist aus CF K und so ausgeb il-
de t, d ass er die Seitenwelle vonstäncäq umschließt.
Dafür muss er verhältnismäßig tief, näml ich auf
Höhe der Radmitteangebracht werden. Der Lenker
we ist ein Tragflügelproli l a uf.
Bild M·88
Abgeschirmte Antriebswel le an
e inem Formei-1-Wagen (Ferrari).
Zu sehen is t das rech te Hin ter-
rad . Hin ter der Seiten we lle ist die
Spu rstange so aus gebildet, dass
im Querschnitt aus Welle und
Spu rstange ein st römungsgüns-
t iges Tropfen p rofil entsteht.
5 Wellen
werk sto rte. Einsatzst ahl Ck45 (DlN 17210) mit Härte 52 + 6 HRC mit Einhärtetiefe Rh!
450 HV = 2.5 + 2,0. 4ISiNiCrMoV7-6 (DIN) wär mebehandelt. Titan Ti 102 3.
5.3 Wellen gelenke Uni ver sal join ts
Im Ra da ntrie b wer de n ho rnek ine tisch e Gel e nke m it gleic hfö rmigen Winkelgeschwindig-
keiten zw ische n An- und Abtrieb eingesetzt. Den Längen ausgleich der Welle, der beim
Fede rn d es Rades erforde rlich wird. ü bern im mt e in Verschiebegelenk . d as aus Gewichts-
grü nden (gefederte Massen) gctr icbcscitig angeo rd net wird. Das leichtere Festgelenk. das
zu den ungcfcdertcn Massen zählt. sitzt radsehig. Auch wenn für geringe Verluste die unge-
beugte Stellung die ideale ist. so sollendie Wellen im Betrieb doch mit einer kleinen Abwei-
chu ng von d er gestreckte n Lagc laufen. Da n n ist nä m lich gewäh rleistet. dass sich die Über-
tragu ngselemente (Kugeln. Rollen) in ih ren Bahnen bewegen und sieh nicht einschlagen.
Die Belastung de r Gelen ke setz t sich au s de m zu übertrage nde n Mome nt. dem Bcugew in-
kcl und de r Drehzah l zusa m men. Alle drei Einflussgrößen wirken bei ei ner Vergrößerung
belastungss teige rnd. Treten me h rere Belast unge n gle ichze itig auf. gibt de re n Prod ukt ei nen
Verg1cichswert für die Gesa mtbelastung. So soll das Prod ukt aus Wellend rehza hl und Beuge-
w inkel ei nen von der Bauart abhä ngigen Maxi malwert nicht übersteigen. Je höher die Dreh-
za hl de r Welle ist. desto kleiner m uss also der Beugewinkel bleiben. Im Allg emeine n sind die
Gelenke fettgesc hmie rt und Konvekt ion reicht fü r die Kühlung aus. Die Betriebstemperatur
soll etwa Sü "C nicht übersc hre iten, kurzfristige Spitzen sollen 120 "C nicht überste igen.
Sind die Gele nke alle rdings nicht direkt eine m Luftst rom ausgesetzt, so nde rn im Gege nteil
durch Unte rboden und Auße nh aut abgeschirmt. ka n n eine Ölsch mic r ung mit Kühlung c rfor-
derlich werden. Dafilr mu ss die Gelenk aufna hme entsp reche nd in das Get riebegehäuse intc-
gr iert sein. Bild M·96, Solche Lösun gen finde n sich gleicher ma ße n in Formel-l -Wagen wie
in Dekar- Fahrzeugen. wo deren große Federwege extre me Beugewinkel und da mit hohen
Wärmeanfall nach sich ziehen.
Es werden u nte rschi ed liche Arte n von Kugelgleic hlau f- u nd Tr ipode ngelenke n in Se rie
herges tel lt.
Der Übcr tragu nsgw irkungsg rad von Gele nken ist nicht konsta nt sondern vorn Bcugc win -
kcl und de r Bauart abhäng ig. Bild :'\1·89. Der Wirk ungsg rad von Tripode ngele nken nim mt
m it steige ndem Drehmo ment z u und mit größer werde nden Drehzahl ab. Kugelgelenke zci-
gcn dagegen einen abnehmenden Wirkungsgrad sowohl bei steigendem Moment alsauch bei
ste igender Dre hza hl [MJ9]. Zusätz lich kön ne n d ie Verluste d urch reib ungsm indern de Hoch -
tempera turfette (b is 150 °C) reduziert werde n. Diese Fette si nd a ufj ed en Fall erforde rlich.
M
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5
10
15
20
8eugewink el ' ° 1
25
Bild M-89
Wirkungsg rad von Gelenken in Abhän-
gigkeit des Be ugewinkels. nach (M35].
GI. AAR Trip odenarIen
AC, UF,VL, 00 Kugelgelenkarten
Die Drehmcrne ntvertuste neh me n mit dem
Be ugew inkel li n ear zu. Tripoden sind hin-
sich t lich des Übe rtrag ungs wir kungs grads
günstiger als Kugelgelenke.
MAnt riebsstrang
we n n die Gelenke d u rch die Abgasanlage aufge heizt we rde n. Aber a uch ohne Wärmeq uelle
in de r Nähe steigen d ie Tempe rat ure n der Gelenke im Betrieb d urch die Reib u ngsarbeit au f
etwa SO"C an.
Unabhängig ob fett- oder ölgcschmicrt bra uche n d ie G elen ke e ine Abdicht ung n ach au ße n.
Dies geschieht mit ei nem elastischen Balg. Bei sei ner A nordnung ist zu beachten, d ass
sein Durchmesser bei hohen Welle ndrehzahlen zu nim mt und es so zu Kontakt mit dem
Druckstab odermit dem heißen Abgasrohr kommen kann. wenn der Absta nd zu diesen Bau-
teilen z u gering gewä hlt war. Be i Platz problem e n b ring e n Versteifungsri nge um Umfa ng
des Balgs Abhil fe.
Gleichla u r~l'h'nke cons tant velocityjoint (CY j oint) . Kugelgleichlaufgele nkc bestehen aus
ei ner Nabe u nd cincm glockc nförmigcn A u ße nteil. Nabe u nd Außenteil werden übe r Kugel n
-
meist sec hs - miteinande r verbunden. Ein Käfig hält die Kugeln in der vorgesehenen Posi-
tion . Für den klassischen Fall ei ner Fest- Los lagerung einer Gelenkwelle ex istie ren Gleich-
laufg elenke als Festlager. die kei ne axiale Verschiebung zul assen. und Verschiebegelenke.
d ie eine Absta ndsände rung der Lager beim Federn des Rad es zu lasse n.
Festg elenk e fixedjoin ts :
AC: radscitigcs Festkugelg elen k (angular ('on/ac!). Ocr Q uersch nitt der Bahn für die
Gelenkskugeln ist elliptisch. Die Kugeln berühren die Bah n deshalb punk tför mig.
Mögliche Beugewi nkel bis z u 47°.
RF: radseifiges Festku gelgelen k mit einer tor usfö rmigen Bah n für die Gelenkskugeln. Die
Kugeln weisen Linienkontakt in ihrer Bahn au f. Mögliche Beugewinkel bis zu 4r.
UF: hinterschnit tfreies Festk ugelg ele nk (underclIl j ree). Die Kugelbah n ist gegenüber de r
A usfü hrung AC verlä ngert. Das un d weite re Ma ßna h men ermöglichen Beugewin kel
bis zu 50° und darüber.
Mit Beug ewi n kel n von na hezu 50 ° be im Festgelenk ergebe n sic h fü r Frontantriebskonze pte
keine Nachteile hinsichtl ich de r Lenku ng.
Ve rsc hie begelenke ptunging jomt:
0 0 : Doppcl ~ Off."CtNersch iebekugelgelenk . Die K ugel ba h ne n ve rlaufe n parallel zur Achse
de s Außenteils. D ies e Bauart er möglich t große Verschie bewege.
VL : Verschiebeg elenk Löbro. Die Kugelbahnen verlaufen schräg (kr euzend) zur Achse des
Außenteils. Die Gelen ke können kurz und leicht ausgeführt werden. Ma x. Bcugcwin-
kcl: 22°, r nax. Verschiebeweg zwischen 16 und 30 mm . VL~Gelenke weisen einen axi -
alen Anschlag auf und können so gleichzeitig an beiden Enden einer Hinterachswelle
zu m Einsatz ko mmen.
Ein G leichlaufve rschiebegelenk lässt einen Winkel zwische n de n Welle n zu und er mögli-
cht g le ichzeitig ei ne Ax ia lve rsc hie b ung . Maximale Be ugewi nk el vo n Versch iebegelenken
bet ragen 15°. vorzugsweise 25°. In Ext remfa llen werden auch 30° realisiert . Die größten
Versc hiebewege liege n be i 45 bis 55 mm.
Bild :\1 ~90 zeigt den Aufbau e ines Gle ichlau fversch iebegelenks. Kugel n (4) übertr ag en
die Drehbewegu ng von der Nabe (3) auf den Flansch (I). Die Kugeln (4) werden durch
einen Kä fig (2) ge halten u nd bewegen sich au f der so genannten Gleic hlaufebene. Diese
steht normal auf die Winkelhalbierende von An- und Abtriebsachse. Dadurch kommt es zu
keinen Schwa nku ngen der Drehzahl aufder Abtriebsseite. Der Gelenksflansch (I) wird mit
der Rad nabe oder de m Differen zialausgang verschraubt.
5 Wellen
s Bild M-90
Gleichlaufversch iebegelenk in Sche ibenausfüh-
rung (Typ VL ), auch: Hochgeschwindigkeilsgelenk
high speed joint.
Die Kugellaufbahnen von Nabe und Flansch sind
kreuzweise schräg ausgeführt. dadu rch ist de r
axiale Verschiebeweg beg renzt und diese Bauart
kann somit gleich zeitig an beiden Enden einer WeI-
le eingesetzt werden. Der max. Beugewinkel oe-
trägf 12S, die max. Drehzahl 8000 mo-'.
1 Gelenksflansch outer race
2 Käfig für Kugeln cage for balls
3 Nabe inner race
4 Kugel ball
5 Antriebs welle drive srett
6 Flansch zu Radnabe bzw, Differenzialausgang
flange for hub or differ ential output srett
In Bild H-62 ist ein Gleichlaufgelen k an der Hinte rachse eines Formelwage ns im einge-
bauten Zusta nd zu sehen. Bild M-62 zeigt den Binsatz von Gleichla ufgele nken bei einem
Achsget riebe. d ie in die Ausgleichskeg elräder integr iert s ind.
Eine vollstä ndige Seitenwelle für Vorde rradantrieb ist in Bild ~1 -9t zu sehen. Es weist ei n
Fest- und ein Verschiebegleichlaufgelen k auf. Das Festgelenk wird radscitig verbaut, das
Verschiebegelenk sitzt gctr icbcscuig . Die maximalen Beugewinkel betragen 22° für das
Verschiebe - und 47° fiir da s Festgele nk. Die radseilige Sicher ung e rfolgt über ein e Zentral-
M
Fe stge lenk
Versch i ebegelenk
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Ve rschieb b ar keit
Bild M -91 Gelenkwe lle für Pkw.
Das Festgelenk (fixed joint) ist radseit ig angeord net und das schwerere verschiebeqelen k (sliding jOint)
wagenseitig.
MAnt riebs strang
mutter. Aus Gewichtsg ründe n und zur Vermeidu ng von Schwingu ngen ist die Zwischen-
weIle als einsat zgehärtete. spanlos umgeformte Hohlwelle ausgeführt. Das getri ebeseifige
Gelenk kann ebe nso wie das Festgelenk ausgeführt sei n, also mit geschlosse nem Topf und
angcschmicdctcm Zapfen. Diese Ausführung spart Gewicht. Das Gele nk wird dann direkt
in da s Differen zial gestec kt und über einen Wellensicher ungsri ng axi al fixiert. Näheres
siehe A nschlussformen von Gelenkwellen (Bild M -100).
Werkstoffe, Nahe und Gclcnksflansch : Induktionshärtbarer Stahl Cr53 (DIN 17212) mit
Einhär t etiefe Rh! 550 HV= 1.1 + 1,0. Käfig: Einsat zsta hl 20NiC rMo2 ( DiN (7210) mit
Einsatzhärtungstiefe Eht= 0.6 + 0,4. Kugel : Wälzlagerkugd n Klasse Il/ II1(DIN540l ) aus
Wälzlagersta hl \00 Cr6 (DIN 17350), Härte HRC 63 ± 3.
Trtpodengelenk e tripods, Tripodengelenke bestehen aus einer Nabe, auf der im Allgcmci-
ncn drei Zapfen (Namcl) mit kugclförmigcn Rollen sitzen, und einem roh rförmigcn Gegen-
stüc k, das drei zylindcrfö rmige Bahnen für die Rollen aufweist.
Vcrschic bcgclc nkc :
AA R: w inkelei nstelle nde Rolle n (ang ular adjusted roller) : Die Zapfe n, auf den en die Rol-
len laufen , s ind selbst kugelförmig und lassen so einen gewisse n Winkel zwischen
Zapfen und Rolle zu. Die Rollen laufen so immer mit der Rollenachse normal auf
die Bah nachse. Dadurch ist die Verschiebekraft geri nger als bei de r Ausführung GI.
Max. Bcugcwin kcl: 26°, max. Verschiebeweg. bis zu 55 mm .
GI; Glacnzcr-I ntc ricur-Tripodc, .Klassischc'' Bauart bei de r die Rollen auf ei ner Nabc
mit drei Zapfengelagert sind und beim Beugen sich mit der Welle mitbewegen. Max.
Beugewinkel 23°, Verschiebeweg bis z u 55 mm .
Festge len k.
GE: Glaenzer-Exte rie ur-Tripode. Die Tripodenzapfen sind auße n, also in de r Tulpe und
nicht auf der Welle gelage rt. Ermöglicht größere Beugewinkel als Typ GI und kann
so bei gelenkten Vorderrädern verbaut werde n. Max . Beugewin kel. 45°.
Den prinzipiellen Aufb au eines Trip ode ngele nks illust riert Bild 1\1-92. Die geb eugte Welle
wird durch je weils zwei der drei Tripoden rollen zentrie rt. Die Mille der Tripodennabe fällt
dabei nicht mit der gedachten Wellenmitte zusammen. Die Welle vollführt so eine Exze nter-
bew egung. Die beiden Tripodens te rne einer WeJJ e sollen deshalb aus Schwing ungsgründen
um eine halbe Winkclteilung (also z. B. 60°, Bild M-93) gegeneinande r versetzt angeordnet
werden.
Bild M-92
Aufbau einer rncoo e. Typ GI.
Die Seitenwelle i st über Kerbverzahnung
m it dem Tripodenstern verb unden. Dieser
trägt d rei nadelgelagerte Rollen mit Ku -
gelprof il, die in entsp rechende n zyhnoer-
förmigen Bahnen des Flansches laufen.
Der Flansc h wird mit der Radnabe bzw.
dem Differenzialausg ang verschra ubt.
5 Wellen
M
2
r... -
3
2
/
Festgel el'lk
Verschiebegel enk f4 -
Bild M ·93 Gelenkwel le mit Tripodengelenken.
1 Tulpe tul/p.2 Tripode Ir/pod.3 Balg boot
Wird eine Seite nwelle m it zwe i Verschieb egelenk-Tripode n verbaut. so benötigt sie eine
Vorrichtung, die ihre Axiallage einschränkt, weilja kein Festgelenk vorhanden ist. Von den
bekannt en Mög lichkeiten ze igt Bild ;\1-94 eine beste chend einfache. Das Sichc r ungsclc -
mc nt kann gerriebe- ode r radseifig a ngeordnet werden.
Die Tripodentulpe kann über einen Flansch mit dem Differenzialausga ng bzw. de m Rad-
flansch verb unden werden (Bild M-n) oder sie wird direkt in den Differenzialausgang intc -
Bild M -94 Axia lsicherung einer Tripode (System Pankl).
1 Tripodent ulpe fripod tullp
2 Siche r ungselement retaining element
3 Seitenwe lle half shatr
Das Element bes teht aus einem ha ntelförmiqen Verbindungsstück, das beroserts in Pfannen gehalten
wird . Das Element w ird zunächst in die Welle geschraubt und dann von außen mit einem Sechscant-
Stiftschlüssel durch den hoh len Achszapfen der Tulpe in diese eingeschraubt.
MAnt riebs strang
gricrt. Bild :\1·95 und 1\1·96. Diese Bauweise spar t Ge wicht und Bauraum und ermöglicht
die Ölschmic rung der Tripode ngele nke.
Die Tripod entu lpen im Bild M-96 tragen an ihren Stirnseiten direkt die Verzahnung der
Ausgleichskegelräder . Das Ausgleichgetri ebe w ird d ad urch so sch mal es gehl. Die Spe rr-
wirkung des Ausgleichsgetriebes ist über hyd raulische Lamc1lcnku pplu ngcn beei nflussbar.
Ölschrnicrung a nstelle von Dauerfettfüllung hat den Vorteil, dass Öl gezielt im Krei slau f
an die Schmierstellen geführt werden kann. Das red uziert die Verluste durch die geri ngere
.- ---.
Bild M-95
Tripodentulpe in Integra lbauweise .
Das Baute il w ird d irekt in das Achskegelrad des Differenz ials
gesteckt und nimm t den Tripodenstern auf. Die Abd ichtung
nach außen übernehmen ein Wellendichtring und ein Balg.
Bi ld M-96
Achsge triebe mi t integrierten
Tripodengelenken {Xtrac Ud .).
1 Tripodent ulpe trirx;d tuiip
2 Ölzufuhr zu Tripode
oil feed rc tripod joint
3 Achsgetr iebe final drive
4 Lamellen für Differenzialsperre
differential friction plates
4 5 Hydraulikkolb en für Differenzi-
5
arsperre
tlydraulic acneror tor differential
720 1
5 Wellen
Viskosität des Schmieröls und ermöglicht gleichze itig eine Wärmeabfuhr über das Öl. Letz-
teres ist besonders für Getriebe wichtig, die von Diffusor und Unterboden vom kühlenden
Luft strom a bgeschirmt sind.
Werk stoffe. Nabe mit Zapfe n (Trlpodc): Einsatzs ta hl. Zapfen gehärtet und ges chliffe n.
Tulpe: Kohle nstoffstahl. induktionsgehärtet. Die Bahnen werde n geräumt. 4 1SiNiCrMoV7-
6 ( DIN) wärmebeha ndelt. Rollen: Einsatzs t ahl. gehärtet. 30CrNiMoMn24 (EN) .
Ge lenk sau s wa hl choice ofjoints. Die Auswahl der unte rsch iedl ichen Gelen ke hä ngt vom
Einsatzort ab (gelenkte Vorderräd er, nicht gele nkte Hinte r räder), vom e r forde rl iche n Vc r-
sch iebeweg (Fcstgclcnk. Verschiebegele nk. geländegä ngige Radau fh ängung) und weiteren
Kriterien (Schwingungen. ...). In Ta belle ~I-I I sind zur Orientier ung typische Anwen -
dungsstellen von Gelenken angeführt.
Tab . M ·11 Gelenksausw ahl für Seitenwellen. nach [M35]
M
Hinterradantrieb:
Gele nksa rt
Vord er radantrieb:
Einbauort
Radseite (Festgelenk) (Ach s-)Getriebeseite (Verschiebegelenkl
VL-Monoblock
vt-Scneibenqelenk
Tripod engelenk GE
Gelenksart Kug elgelenk
AG,UF
VL-Sche ibengelenk. VL-Monob loc k. 0 0
Gi, AAR, Triplan
Welle - Nabe -Verb indung inner ruce shaft con nection. Die Nabe n von Gleichlaufgele nke n
und von gebauten Tripode nsternen werde n im Allgemeinen über Steckverzahnungen mit
den Seite nwel le n verbunde n. Bei Kugelgleichla ufgelenk en ist e ine Tre nnung von Welle und
Nabe aufjeden Fall aus Montagegründen erforde rlich. Beim Zusammenbau muss die Nabe
nämlich überb eugt werden. damit alle Kugeln eingesetzt werde n können. Die Stec kverza h-
nun gen weis en dabei Keilprofile. Kerbz a hnprofile und Evolvente nfla nke nprofile a uf. Bild
\1 -97. Zahnwellenprofile (b und c) können aufgrund der höheren " Zähncza hl" bei gleichem
Wellendurchmesser größere und sroßhaft wirkende Momente übertragen als Keilwellen (a).
Gegenüber dem Keilprofil werden Welle und Nabe auch weniger geschwächt. wodurch die
Verbindung kürzer und der mittlere Durchm esser kleiner ausgeführt werde n können.
Die ax iale Siche rung der Nabe auf de r Welle wi rd aufunterschiedliche A rte n s iche rges tellt.
Bild 1\1-98 . Die größten Axialkräfte überträgt ein Rechteckringring aus Fede rstahl {a], de r
auch die sicherste Verbindung dar stellt. Er wird zur Monta ge und Demontage mit einem
Werkzeug auseinandergespreizt und über die Welle geschoben. Eine einfachere Montage
ermöglichen Sprengringe tb bis d). Beim Montiere n und Demontieren genügt zwar der
Zugang von einer Seite. alle rdings ist die übertragbare Axialkraft wesentl ich geringer als
jene lies Rechteckrin gs. Der Sprengring (b) springt bei der Monta ge in eine Nut der Nabe.
Zur Erleichteru ng der Demontage weist eine Flanke dieser Nut eine Fase auf. Die Lösung
(d] ist im Prinzip gleich. nur wird die Nabe dur ch eine Tellerfeder vorgespa nnt und so das
Axialspiel ausgeglichen. Der Sprengring (c) klemmt am Nutgrund der Welle. Eine schräge
Fla nke dieser Nut erleichtert den Ausbau der Nabe .
MAnt riebs strang
Bild M-91
Steckverzahnunqen.
a Keilwellenprolil (DIN ISO 14, DIN 5464)
splin ed shaft
b Kerbzahnprofil (OIN 5481)
serrated sh aft
c Evolvent enzahnprofil (DIN 5 480 u nd
5 482) involu te profile
a
.
f.-
I>-
2 ß~~1D ~/
i.;
-,
.
-I-li
-
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.
_.!!./
d
c
Bil d M-98
A xiale Sicherungen von
Steckverbind un qen.
a Rechteckring
b Spreng ring in Nabe
c Spreng ring in Welle
d Spreng ring in Nabe mi t Verspa nnung
durch Tellerfed er
1 Welle
2 Nabe
Anschlussfer men Hin Gelenkwelle n. Die Seitenwellen müssen mit den angetr iebenen
Rädern und dem Achsgetr iebe verbunden werden. Dafür haben sich einige Prinzipiell
durchgesetzt. Welche Art zum Einsatz kommt hängt von de r Ausführu ng der Welle und de r
Nachba rkompo ne nten ab. Bei Ka ufte ile n ist die Montage großte ils vorgegebe n. bei Eigen-
konstru ktionen sind alle Freiheiten für eine vollständig e Integration de r erforderlichen Teile
gegeben . Für den Anschluss der Welle an das Rad findet man vornehmlich drei Lösungen.
Bild ;\1-99. Danebe n exis tiere n Abwand lunge n von den gezei gte n Gru ndva rian ten .
Langzapfen- (a) und Kurzzapfenanschlüsse (b) werden bei Pkw eingesetzt. Das Radlager
(3) wird durch die Zapfenverschraubung ( I) vorgespannt. Dahingehend ist die Kurz zapfen-
lösung die bessere. weil die Dehnschraube (I) wesentlich unempfindliche r auf Setzungen
reagiert als das kurze Gewinde der Langzapfenlösung. d . h. die Vorspannkraft der Lager-
versc hra ubung bleibt im Betrieb a uf einem höheren Niveau. Die Kurzza pfe nlösu ng hat den
weiteren verteil. dass die Welle bei de r Montage nicht so weit in den Radfla nsch (2) gesteckt
5 Wellen
M
._
-
+--
c
23
I"
- +--! ------~-- -- - -
------t-J------j-
I
Bild M -99 Wellenan schlus s an das Rad.
a Lang zapfenan schluss
b Kur zzapfenan schlus s
c tnteqralanscnluss
1 Mutter bzw. Schra ube out resp. bo n
2 Radflansch bzw . N abe wh eel flang e resp. hub
3 Radlager wheel bearing
werde n muss . Aus Kost engrü nde n ist die Langz a pfenlösu ng beim Pkw d ie Standard va-
riantc. Das erleichtert auch die Demontage de r Welle, weil dafür unter Umständen nicht
der gesa mte Radträger abge nommen werden muss. Beim Integralanschluss (c) ist keine
Verschraubung erfo rderl ich. we il die Laufb ahn der Kugeln bzw. de r Tripoden direkt in d ie
Radnabe eingea rbeitet ist. Das stellt die gewic htsgünstigste Form dar. Die geze igte Welle
spa rt auc h Masse d urch die Int egration des Tripode nsterns in die Welle. Die sonst erforde r-
liche Welle-Nabe-Verbin dung sa mt den Ax ialsicher ungs ringen entfallt somit . Das bedeute t
je doch auch. dass sä mtliche Teile konstr uktiv aufeinander abgestim mt sind. Der Integ ra l-
anschluss bildet also eine maßgeschneiderte Lösung und findet sich somit vornehmlich an
Renn fahr ze ugen.
Der Anschluss der Seitenwellen am Getriebe erfolgt auf ähnlic he Weise wic an das
Rad. nur da ss a n die se r Stelle verschiebegolenke z um Einsatz komme n. Bild :\1-100. Die
geschrau bte Flanschlösung (a) ist allgemein einsetzba r. jedoch schwe rer wege n de r g röße-
ren Zahl von Schnittst ellen. Der in den Flansch integrie rte Ansc hluss ermög licht d ie längste
Seitenwelle bei gegebene r Spurwe ite. stellt a ber den g rößten konst ruktive n Aufwan d da r.
MAnt riebsstrang
Bild M -100 Wellenanschluss an das Getr iebe
a Flanschanschluss flange mounting
b lnt eq ralan schlu ss ;nfegraled mounfing
1 Flansch flange
2 Flanschwelle bzw. Eostsck tnpooentcpt srcö axle resp. tripod nausing
3 Achsgelriebegehäuse final dri ve housing
4 Diffe renzialgehä use differential housing
5 Bronzegle itring bronze bearing ring
6 Allra da ntrieb All wh eel drive
Allradant rieb hat nicht nur beim Anfahren und bei Steigungen Vorteile. sondern wirkt sich
auch bei Kurvenfahrt aus. Trotzdem wurden kaum Straßenfuhrzeuge damit ausgerüstet.
Der Mehraufwa nd schien nicht zu lohnen. Sportliche Erfolge in den 19ROcr Jahren änderte
dies grundlegend und viele Automobil herst eller bieten nun Allradvarianten ihrer Fahrzeuge
an. Im Motorsport selbst ist de r Einsatz von All radsystemen - wie immer - eine Frage des
Reglements.
724 1
6 All radantrieb
6.1 Grundlagen Basic s
Anfa hre n starr. Das Anfahre n oder beschleunigte Fahren auf einer Steigung bei gleichen
Reibungsverhältnissen an allen vier Rädern kann mit einem relativ einfachen Fahrzeug-
modell analysiert werden - siehe Bild ~1·IOI. Etwaige Hub- und Nickbewegu ngen werden
vernachlässigt. ebenso die rotatorisehe Beschleunigung der Räder und des Antricbssrran-
gcs. sowie der Rollwiderstand der Räder, Es lässt sich dann ein Ausdruck c " finden. in dem
alle fiir die Traktion maßgeblichen G rößen - Beschleunigung ux. Steigung a und Luftwi-
derstand FL - z usammengefasst werden können. Der Faktor v bestimmt die Aufteilung der
Antriebsmomente auf die beiden Achsen. Für Vorderradantrieb gilt v = I. für Hinterrada n-
trieb v "" O. Die Fahrzeugdaten zeigen. dass den Berechnungen ein leicht vordcrachslasngcs
Fah rzeug zug ru nde liegt.
Im Diag ramm des Bildes M·101 kann nun abgelese n werd en. welche r m ax imale Kraft-
schlusswert/(ma~ mindestens erforderlich sein muss, um einen bestimmten Wert a· z u
erreichen bzw, umgekehrt. So kön nen z. B. auf glatter Fahrbahn mit I(ma~ "" 0.2 die Ein-
achsantriebe (also v = I bzw, 0) Beschlcunigu ngen von etwa 0.1 g erreichen, während
mit einer Momentenaufteilung von 50: 50 (v = n.5) fast C).2 g möglich sind. Die strich-
lierte Grenzlinie entspricht einer bcdarfsabhängigen Aufteilung der Antriebsmomente bei
sta r rem Ant riebsstrang über den Schlupf an de r Vorder- und Hinte rachse. Eine gleiche
Aufteilung könnte nur m it einem von a· abhäng igen Aufteilungsfaktor viJ e rreicht wer-
den. Diese optimale Ausn ützung der Traktion an allen vier Rädern bringt nahezu eine
Verdopplung der möglichen Werte u* der Einachsantriebe vor allem im Bereich straßenzu-
standsbedingter kleiner maximaler Kraftschlusswer te. also gerade für einen Fahrzustand.
bei dem motcr scitig die maximal möglichen Werte von u* auch erreicht werden k önnen.
Bei trockener Fahrbahn kann ein echter Traktionsgewi nn nur bei ei nem leistungsstarken
Motor ausgenützt werden.
M
~O,8
i
::I. 0, 6
"
•
~
N
~0,4
~
8~
•
g> 0,2
o
o
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•
~
.....J. .. .
0,2
0,4
8eschleuni gung
0,6
a-t -J
0,8
0,8
,
,
~
•
0,6 .
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c
-
~
~
0
c
0,'
•>
c
•
-
c
•
0,2 "0
•
Bild M -101 Beschleunigte Bergauffahrt (Simulation). nach {M23].
Fahrzeugdaten. mV,t - 1360 kg. / - 2,6 m.
'1/1- 0.45:hvlJ- 0.2
I' Mom entenverteilung: MAl - IM M und MA.r
-
(l-I')MM
1725
MAnt riebs strang
Kur venfah rt cornering. Ein Vorteil allra dget riebener Fah rzeug trut auch bei bcschleu nig-
tcr Kurvenfahrt auf. Das Scitcnk raftpotcnzial aller Reifen ist bei gleicher Vortr iebsleistung
wese ntlich größer. weil die Antriebsleistung auf vier anstelle von nur zwei Rädern aufgeteilt
wird. Die resultierende Kra ft aus Umfa ngs- und Seitenkra ft ist durch die Reibu ngsverhält-
nisse begre nzt (vgL Kapitel K 1)und som it erlaubt eine Verringeru ngder Umfangskraft eine
Steige rung der Seitenkraft. Das Verhalten bei Kurvenfahrt bestimmt zu m g rößeren Teil die
Fah rsicherheit. me hr als die besc hle unigte Ge radea usfahrt. Bild ,\ 1· 102 stellt die fahrb are
Querbesc hleunig ung in Abhängigkeit der Längsbcschlcunigung dar. Das Fahrzeug. das den
Berechnungen zu Gr unde liegt. entspricht dem in Bild M-Hll. Ein aerody namische r Abtrieb
bleibt unberücksichtigt. Die G ren zku rve beschreibt eine " gummie rtc" Punktmasse. Sie gibt
den bekan nten Z usammenhang zwischen Umfangs - und Seitenkräften bei eine m Reifen
wieder. Die gewählten Daten des Basisfahrze ugs entsprechen ei nem hinterradgetriebenen.
deshalb ist das Potential mit reinem Hinterrada ntrieb (v ::0 0) leicht höher als das des Vor-
derrada ntriebs (v :: I). Die Kurven lägen mit angepasste r Ausleg ung der Fahrze uge näher
beieinander. Wird das A ntr iebsmome nt durch ei nen sta rren Allra dantrieb gleich mäßig
auf die beiden Achse n verteilt (v = 0,5), können wese ntlich höhere Querbeschleunigungen
erre icht werde n. Noch bessere Fahrleistungen lassen sich erzielen, wen n die Aufte ilung des
Antriebs mome nts nicht star r sondern schlupfoptimal auf Vorde r- und Hinterachse erfolgt.
Die größtmögliche Annäherung an das Ideal de r Punktmasse ist möglich bei radindividucl-
lcr Zuwe isu ng des A ntriebsmoments. Durch die Schräglau fwiderstände de r Reifen wird die
Grenzkurve allerdings nicht er reicht.
Die Aussagen werden durch cha rakteristische Versuche unte rmauert . Bild 1\1-103 zeigt
die Ergebnisse für Pkw beim Beschleu nigen aus ei ner Kur ve m it nied rigen Reib werten. Ein
dem Hinterrada ntrieb verw andtes Fahrzeug mit 40/60 % Ant riebsmomentverteilung Vor-
der- z u Hinterachse reagiert in dem bek annten Verhalten, dass z unächst bei relati v klei nen
Lenkwin kel n hohe Q uerbeschle unigunge n aufgebaut werde n. Bei weiterer Erhöhung der
Querbeschle unig ung bricht das Heck aber abrupt aus. wobei die Gierbeweg ung des Fahr-
zcugs nur schwer d urch Gegenlenken abgefa ngen werden ka nn (inst abiles Fahrverhalten).
Das Fah rzeug mit sy mmetrischer Leistungsverzweig ung (50/50 %) kann auch bei hohen
~- 0,8
".
,.
~
50,6
•o
•'E 0,4
u
•
s
~ 0,2
•
0,2
0,4
0,6
0,8
Län\lsbes chleuni\l un\l : . [ . ]
Bild M -102 Simu lation einer besch leunigten Kreisfahrt . na ch [M231.
R - 100 m.'uma. -
0.95. Fahrzeugdate n und v siehe Bild M -l01 .
a,
a variable Mome nten verteilung
zw isch en den beiden Achsen
b variab le Momen tenver teilung
auf alle vier Räder
6 Allradantrieb M
90 100 110 120 130 140 150
Lenkr adeinschlag e, ( ° 1
80
70
. ,··..··..i..\ i ,50/ 50
I-r--j l
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_ + - - - - - --1 1: .+-------'---t~--+
40/60 .•• •
ZO gespe rrt ("'46 / 54 )
--
:
.
60/40I;Iii
I i -~tabii~Fa;;;verhaiten !
'__'_+- _ _r__ I'....:.::.:.:~_nstabiles F~,Ihrver.:lalte~J
,
.
I
Bild M ·10 3 Beschleun igte Kreisfahrt auf niedr igem Belbwert, nach [M28J.
Zusammenhang zwischen Lenkw inkel und Querbesch leunigung bei untersch iedlichen Au/te ilungen
des Antriebsmoments.
40/60 - 40 % Vorderachse / 60 % Hinterachse
60/40 .. 60 % Vorderachse / 40 % Hinterachse
ZD - Zentrald ifferenzial
Mit gesperrtem ZD erfolgt die Leistu ng saufteilung entsprechend der dynam ischen Achs lasten.
Querbeschleunigungen noch beherrscht werden . Für den Normalfah rer ist allerdings das
Fah rzeug mit der A ufteilung 60/40 % am einfachsten z u kontrollieren. Es zeigt das stabile.
untersteuernde Verhalten. Der Lenkrad win kel steigt im Grenzbe reich überproportio nal mit
der Querbeschleunigung an und kündigt dem Lenker so das Erreichen der physikalischen
Grenze an.
Zusammenfasse nd ka nn festgestellt werden. dass Allradsyste me sowohl bei derTraktion als
bei Kur venfahrt theoretische Vor teile gegenü ber Einachsant rieben haben. Vorraussetz ung
dafiir; dass diese auch praktisch umgeset zt werden können. sind ei nmal ei ne hohe Motor-
leistung und zum anderen eine dynamisch geregelte Aufteilung der Motorleistu ng auf die
beiden Achsen oder noch besse r auf jedes Rad einzeln .
6.2 Renneinsatz Racing
Ein Vorteil von A llrada ntr ieben ist die Möglich keit bei idealer Balance des Fahrzeuges
eine Reifenschonung zu e rreichen und somit weichere Reifen verwenden zu können. Die
Abstimmung vo n All radfahrze uge n gesta ltet sich allerdings meist a ufwändiger als bei Fahr-
ze uge n mit Sta nda rdant rieb. Für d ie ITC (Inrernarional T auring Car Ch amp ions h ip ) wur de
ein eigenes Renn-ABS entw ickelt. dass den größere n rot ierende n Massen Rech nung trug
und den bis dahin zu g roßen Reifenverschleiß reduzierte. Letztlich kon nten gleiche oder
sogar bessere Verzöge ru ngswerte erreicht werden als bei sta ndardget r iebenen Fahrzeuge n.
Bei einigen Moto rsportk lasscn gestaltet sieh ein Vergleich schwierig. weil das Reglement
Gewichtsnachteile oder ähnliches für a llradget riebene Fahrzeuge vorsieht. Derzeit herrscht
die Meinung vor. dass bei Monoposti Allradsysteme zu schwer sind u nd einen schlechten
Wirkungsgrad haben. Außenlern sind sie schlecht unterzubringen [MI5}. Neben dem Fah-
rer muss die Antriebswelle vorbeigeführt werden und vor den Fahrerfüßen müssen Len-
MAnt riebsstrang
kung , Achsant rieb u nd Radaufhäng ungs teile u nte rgeb racht we rde n. ln der Formel I gab
es Versuche mit vier ange trie bene n Rädern . Das war Ende der 1960cr Jahre. als die Rei fen
nicht die Haftu ng halten, das volle Motormoment auf die Fahrbahn zu bringen. Trotzdem
brachten die damaligen Systeme nicht de n gew ünschten Erfolg. Wenn ein Formel-I -Wagen
voll be schl eun igt red uzi ert die Achslastverlageru ng die Radau fsla ndsk räft c vo rne so st a rk.
dass das Antriebsmoment a n den vorderreife n Unters teuern her vor r u ft . Auch d ie üblic he
Rea ktion der Fahrer in einer solchen Situation - nä mlich mit mehr G as Lcist ungs öbcrstcu-
cm zu provozie ren - bewirkt das Gegenteil. also noch mehr Untersleuern [MI4]. Die konse-
quenten Verbesserunge n zielte n d aher a uf eine Re d uktio n des A ntriebsmoments vo rne . was
aber auch den Hauptvorteil dieses Systems praktisch aufhob. Heute sind die Reifen enorm
weiterentw ickelt. Bode neffek t sow ie Flügel erhöhe n die Radaufsta ndskraft u nd mittlerwei le
lässt d as Formel-I-Regleme nt n ur mehr zwei a ngetriebene Rä der zu.
Im Rallyesport überw iegt der Trakt ionsgewi nn au fl osen Pisten die Nachteile hinsichtlich
Gewicht u nd Fah rstabilität. Bei Tourenwagen h aben allrad get r ieb e ne Fahrzeuge gege nübe r
leistu ngssta rken Fro nt rieblern Überlege nheit geze igt. Überdies ze igen Messunge n an Tou-
renwagen . dass bei optima l au sg eleg ten a -x- a -Systcmc n die Su m me der Verlustle ist ungen
bis auf di e Straße nicht größer zu sein bra ucht als bei heckgetriebene n Fahrze ugen [M17].
Die allradgetr iebenen Tourenwagen ze ige n d urc haus a uch Vorteile gege n über hi utcrrad-
getriebene n. Der Rundenzeitenvorteil kann bis zu 2 s betragen. Am größten ist er bei nicd -
r igen Reibbeiwerten u nd au f Rennst rec ken m it engen . well ige n Kurve n [M 17].
6.3 Baufo rmen Types
Allra dsy steme lasse n sich bei alle n gä ngige n Moto reinbauorten re alisie re n. Bild ,\ 1- 104.
Ausge he nd von einer beste henden Ant riebs art (mit Volllinie n d argestellt) w ird de r Allrad-
an trieb d urch Er we itern des Ant riebs a uf d ie nich t ange trie benen Achse n aufgeba ut. Diese
Er weite run g en des Ant riebs sind st richliert d argestellt.
Eine sys tem atische Glie derung von Allradsystemen lässt sich nac h de r Art der Leis tu ngs-
verzwe igung vorn e h me n. Man erke n nt vier Gru ppen ode r Generationen von Systeme n. Bild
;\1-105 .
Zur ersten G rup pe gehören zuschaltbarc Vierrada ntr iebe u nd der p e r man ent e Ant rieb mit
Zentral diffe renz ial. Die zweite Ge ne rat ion ba ut me ist a ufdiesen Sys teme n a ufu nd erweitert
diese m it eine m Sperrensys tem vo rgegebe ne r Cha ra kteristik. Ab de r d rill e n Gruppe wird
fü r di e Regelung d e r Leis tu ngsverzweig u ng der Einsatz von elektronischen Steuersyste-
men e rforder lich. Be i d iesen Syste me n wird die inte rne Charakterist ik der Basissysteme m it
einer exte rnen Regelung überlagert . ln der vier ten Gr uppe kann d ie Le istung kontro lliert
Bild M·104
Aüradsys terne bei
unterschiedlichen
Mo torancrdnunpen .
a Frontmotor
b Mittelmoto r
c Heckmotor
7281
6 Allrad antrieb
Allra dantr ieb I
I,-I
..........
-
I: auIOmallSdl ::I
S)'SI8INI mt __
~I
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-.
1
Z B en~den
...........
llynamiscIlen Achslasten
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oder den za hnez"t " en
_.-
fotm. oder knoII· n I
I1_1.1
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~Vcbperren
Sys«lrrIe mt var\atlIe<
-
~e diffe<enz·
2
Sysl~W
Dilr eronzia lspen"en.
drelualdhit'l''''''''
l eis 1""9Sver<Weig 1Slll
zB ~;
Kupp/o.o>gen . z B
--
VJSalI< LlJlIlIt.<"tg. Geranatic.
II
I
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Sperren . z B Tarsen
VIS<XJlok . Hondat>..oa l Purr9
Sysl ....... mt zwis"'-
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lfeiii'iF
--
...,.-
3
Gtenzen~
L.am eUenlcupplur>g. z .B
drehzahlfiihlerde
N'soan ETS , Toyola
(ldl(lrenziaIsperren .
KuppIungetl , z .B
lllis!ungSverZwllig lSlll
TTCC. BMW x.onve
z.B L.~ v
_
.
I
I
I
Il
Sysleme mit Imi
beide AcI'osen über
geregelte Sysl eme in 'Ierbinclunll miI
watlI>arer
steue<l>8rEo lamellen-
4
l eisl '- "'9S-.weig1Slll
kuppIungen angetrieben,
Zen lralddlerenzial. freie Beein llussung von
D;lre<enzdre/lzahl und D;trerenzdrel>moment
-a riable lIbersetzungen im
in GrOßeunclRichtung
I
I
Anlriebslraog. z .B . Honda
Bil d M·10S Systemat ik der Allradsysteme [MOl).
zwischen de n Achsen und/ode r zwischen den Rädern einer Achse verteilt werden (Torque
Vecloring).
Die Audi Quattros der ersten Ge neration sind berühmte Vertreter eines perm anenten
Allrada ntr iebs mit vorbesti mmte r Leistu ngsau fteilung (erste Gr uppe in der Syste matik Bild
M~1(J5). Wenn nur ein Rad den Bodenkontakt verliert. dreht sich allerdings nur noch dieses.
Das Zentraldifferenzial der nachfolgenden Generation war ein Torse n-Differenzial. Ein
Schema des Antriebsstra ngs de r ersten Ge neration zeigt Bild :\1-106. Das Motormome nt
beaufschlagt gew andelt vom Getriebe da s Mittendiffe renzial (2). Die Ausgangsw elle des
Getri ebes ist als Hohlwelle ausgeführt. Durch diese läuft die Antriebsw elle zu m vorde ren
Achsantrieb (I). Eine Gele nkwelle führt zu m hinteren Achsgetri ebe (3).
Ein Beispiel für einen Tourenwage n mit Allrad antrieb zeigt Bild ;\ 1-107. Das Fahrze ug
weist einen Frontmotor auf. an dem das Schaltgetriebe wie bei eine m Standarda ntrieb ange-
flanscht ist. An das 6-G ang-Schaltgetriebe ist das Verteilerget riebe mit Mitteldifferenzial
augeflansehr. Drei Moment aufteilunge n sind wählbar. Die Hinter räder werde n über eine
relativ kurze Gelenkwelle aus CFK anget rieben. Die Welle ist von der Längsmittelebene
abgerückt. damit der Fahrer näher zu dieser Ebene kommt. Das Achsgetriebe sitzt mittig im
Fah rzeug. so d a ss die beide n Seite nwelle n g leich la ng sind . Vom Verteilcrgetriebe läuft e ine
Welle inne rhalb de s Getriebegehäuses zum vorde ren Differenzial. Die Vorde rräde r werden
übe r Seitenwe lle n von zwe i flach en dreistufigen Sti rn radget riebe n ange t rieben . d ie seitlich
neben dem Motor angebracht sind.
M
M Ant riebs strang
00000
Bild M·106 Antriebsschema Audi Ouattro 1. Generanon.
Permanenter A llradant rieb mit vorbestimmter Leistungsaufteilung von 50150 %.
1 Achsantrieb vorne. 2 Mittaldifferenzial. 3 Achsantrieb hinten
Bild M-l07 Oper canore ITC Saison 1996 (Internat ional Touring Car Championship).
Tourenwagen mit Al lradantrieb. Die Vorderräder w erd en über zwei flache zweist ufige Stirnradg etr iebe
angetrieben, die neben dem Motor unter gebr acht sind. Die Achslas tverteilunq be trug 50: 50 %.
Alledrei Differenz iale sind sper rbar ausgeführt. Als beste Lösung für dieses Fahrze ug stellte
sich eine hydraulisch/elektronische Sperre für das mittlere und hintere Differenzial heraus.
während an der Vorderachse eine viscospcrrc mit Freilauf bevorz ugt wurde [M 17].
7301
7 Elektron isch e Fahrhilfen
7 Elektronische Fahrhilfen Electronic driver aids
Elektronische Fahrhilfen sind nicht in je der Rennklasse erlaubt. Wo sie gest attet si nd.
erleichtern sie dem Fahrer seine Arbeit wesentlich und er kann sich besser auf die übrigen
Vorgänge bei m Fahren konzentrieren u nd er müdet wenige r rasch .
Anfahrhilfe launah control. Die Betätigung der Kupplung ist bei stehendem Start vor allem
bei hochgez üchtete n Motoren nicht einfach und es kommt immer w ieder zu Fehlstarts ode r
Abwürge n des Motors. Deshalb gab und gibt es immer wiede r Versuche die Kupplungsbe-
tätigu ng z u automa tisiere n. Bild J\1-IOH zeigt eine Pri nzip übersicht. Die Kupplung (2) selbst
ist gleich wie die vom Fahre r mit dem Fußpedal betätigte. nur dass sie in dem Fall von einem
A kt uator (6) (elekt ro- hydra ulisch . pneu matisch ....) bet ä tigt wird. Der Fahr e rw unsc h wird
über einen Schalter am Lenk rad eingegeben. Ein Steuergerät (7) verarbeitet die Eingangs-
daten von Sensoren. d ie den Betriebsbereich des Motors (4) und des Fahrzeugs (5) sowie
natürlich die Kupplungsfunktion erfassen . Dazu weist der Kupplungsaktuator einen inte-
grierten Wegsensor auf. Jüngste Entwicklungen solche r Aktuatoren arbeiten hydr aulisch
als Zwcikolbcn-Nch mc rzyli ndc r. Die beiden Kolben sind in Serie angeord net. Der z.... 'citc
Kolbe n e rmög l icht dabe i eine rseits eine volla utoma tische Entlüft ung sowie a nde re rseits ein
Verfahre n auf "A nschlag" . Diese Maßnahme reduziert die Regelungszeit der Kupplung im
geöffneten Zustan d {M29].
Beim Start wird analog zu r Trakt ionskontrolle ein bestim mter Reifensch lupf der Ant riebs-
räder eing ereg elt. da mit d ie größt mög liche Umfa ngskraft a ufgeb aut werden kan n. Wäh re nd
der Regelung werden im lü-ms-Takt alle erforderlichen Info rm at ionen vom Steuergerä t neu
verarbeitet. Der Reifenschl upf ergibt sich aus der Differenzgeschwindigkeit zwischen vo r-
der- und Hinterräde r. Übersteigt der Schlupf de r Antriebsräde r de n vorgegebe nen Wert.
wird der Kupplungshebel in Richtung "Öffnen" gefahren und das überschüssige Morormo-
ment wird in de r Kupplung abgebaut. In Folge verzöge rn die A ntr iebsräder. Die Regelung
gre ift wied er ei n. sobald die Hinterräder eine vorgegebene Differenzgeschwindigkeit zu de n
M
~
10
(i]
2
4
o
7o
o
1 Motor englne
2 Kupplung c/uteh
3 Getr iebe transmission
4 Moto rorehzaht
angina speed
5 Raddrehzah l Antriebsräder
whee/ speed driving wheals
6 Kupplungsstei ler
duteh actuator
7 Steuerge rät contra! unit
8 Kupphmqssctialter
dutch button
9 Fahrpeda l acce/arator pedal
10 Raddrehzah l Vorde rräder
whee/ soeea front whee!s
Bild M·10a Funklionsprinzip automatische Kupplung.
MAnt riebsstrang
100
80
•
"~ 40
---!--------,-----------~. ~------~-- .
---,------,-
-
-T --
-..,I.
_____
__
<
•
i---
-- -- --l----- ...L
,
•_
;._
-
0,60,81,0 1,2 1,4 1,61,6 2,02,2
Zeit t Isl
Bild M -109
taunett Ccmrcl durch
Kupplungsreg elung [M29].
Die Kupplung wird '10m Steuer-
gerät über einen Aktuator so ge -
steilt. dass bei kon stan ter maxi-
maler Motorleistung. der Schlupf
der An triebsräder in einem ge -
wissen Bereich bleibt.
Vorderrädern erreicht haben . Dann wird die Kupplung in Richtung ..Schließen" aktuic rt.
Dieser Regelzyklus kann sich bis z u achtmal pro Sekunde wiederholen , Uild :\1-109. Die
Motorleistung bleibt währ end dessen anhaltend auf dem Maximal wert.
Traktionsreg el u ng traction cont roi, Diese Einr ichtung verhinde rt einen zu g roßen Schlupf
der Antriebsräder (deshalb bei Pkw auch als ASR - Antriebs~chlupfIegelung) bezeich net.
Wird der Schlupf zu groß, ka nn wenige r Umfangskraft übertr agen werden (außerdem erhöht
das den Laufflächenverschleiß unnötig) und da s Seitenführungspotenzial de r Reifen wird
stark reduziert. S eides soll für größtmög liche Beschleu nigu ng und z ur Aufrechterhaltung
de r Fah rstabilität (Spurt reue) verhindert werden. Bild ;\1-110. Der Regelbe reich des Rci-
fensehlupfes ist nicht konstant sondern u. a. abhän gig vom Reifen . der Fahrbah n sow ie der
Gesch windigkeit und liegt in der Größenordnung g bis 15% .
Gute Fahrer reagieren auf zu starken Reifenschlupf innerhalb einer Fünftel- Seku nde mit
dem Ga sfu ß. Eine elektro nisch e Regelung reagi e rt wese ntlich sch nel le r und entl aste t darü ber
hinausden Fahrer von dieser Aufgabe. Der Fahrer gibt über das Fahrpedal zwa r seinen Wunsch
bek an nt. ob bzw. wie der umgese tzt wird. e ntscheid et jed och da s Steuerge rät der Regelung.
Dafü r ist unter andere m der Einsatz eines E-Gasstellers erforderlich. Zwischen Fahrpedal und
Drosselk lappe existier t a lso keine mechanis che Verb ind ung mehr. Bild :\1-111. Der über da s
Fahrpedal (1)bekannt gegebene Fahrerwunsch wird zwar erkan nt. aber nur bis zu dem Punk t
vom E-Gas-Steuergerät (2) in Antriebsmoment umgesetzt, bis die A ntrieb sräder dur chzudre-
hen drohen. Senso ren messen da zu die Drehzahle n der Vorder- (7) und Hinterräder (8). Die-
se Werte werde n vom ASR-Steuergerät (3) miteinander verglichen. Der Sehlupf eines Rads
erg ibt sich aus den Messwerten zu:
vwI
51 = 1---
.
'V
SI Schlupf des linken Reifens l-l . Kapitel G 2.3 . Der Schlupf des rech-
ten Reifens folgt analog aus vW.rs'
vW.1 Umfa ngsge schwindigkeit des linke n Reifens [rn/s]. \-·w.l = rdyn wW,1
Vy Fahrzeuggeschwindigkeit [m/s]. Der Wert wird aus den gemittelten
Raddrehzahlen vorne ermittelt.
7 Elektron isch e Fahrhilfen
M
100
I
du rchd rehendes Rad
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SChlupf Sw.x,. t - J
\ ro llendes Rad
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Fw, x. ...
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D
Bild M -110 Regelbereich einer Traktionsrege lung.
Ein rein rollendes Rad überträgt zwar keine Umfangskraft Fw.x. kann dafür aber die größte Seitenk raft
FW,Y aufbauen. Mit zunehmendem Sch lupf steigt d ie über tragbare Umfangskrafl zunächst sta rk an und
erreicht ihr Ma ximum bei relativ kleinen Schlupfwe rten. Für größtmög liche Antriebskräfte darf der Schlupf
an keinem Antr iebsrad größer als dieser Wert werden. Gleichzeitig nimmt die übertragbare Seitenkraft ab,
so dass der Regelbereich beim Maximum endet. damit nicht zuviel Seitenkraftpo tenzial ver loren geht. Die
Kennlinien sind unter anderem abhängig vom Reifen. der Fahrbahn und der Geschwindigkeit.
Bild M-111
Traktionsregelung, SChema.
1 Fahrpedal scceteretor pedal
2 E-Gas-Steue rgerät
drive-by-wire control unit
3 ASA-S teuergerät
traction control unit
4 Motorste uergerät
engine control unit
5 Drosselkteopenstener
throttle actuator
6 Drosselklappenpotantiometa r
throttle position sensor
7 Raddrehzah lsensor vorne
front whee/ soeea sensor
8 Raddrehzah lsensor hinten
rear wheel speed sensor
9 Motor und Getriebe
angina ena transmission
5
Y
4
: 111 I11111111111 :
•
•
•
•
3
MAnt riebsstrang
Im Bedarfsfall, d. h. wenn die Antriebsräder z u stark schlupfen. wird die Motorleistung
z urückgenommen. Dies geschieht über Drosselklappe. Einspritz menge und Zündwinkel
in abgestimmt er Reihe nfolge. Diese Maßnahme n werde n vom Moto rste ue rge rät (4) umge -
setzt. Mit 15 bis 30 Hz wird die Zünd ung einzelner Zylinder moduliert . dabei wird noch
zyklisch über alle Zylinder geschaltet dami t die einzel nen Zylinder entlastet werde n. Die
alleinige Steuerung der Drosselklappe ist nicht möglich. diese wäre z u langsam. Am besten
ist eine Kombination aus Zylindc rabschahung (ZAS) und Drosselk lappensteuerung. Über
die Drosselk lappe wird grob vorgesteuert. die Feinregulie rung wird mittels ZAS vorge-
nomme n. Ander e Möglichkeiten der Traktionskontrolle ergeben sieh durch Variation der
Luftzahl A. (s. Anhang) oder des Zündwinkels. Nachteilig bei letzterer Methode ist das
Ansteige n der Abgaste mperatu r bei kleinen Z ündwi nkel n. weil die Verbrennung beim
Öffnen der Auslassventile eventuell noch nicht abgeschlossen ist und in de n Abgastra kt
hinein re icht.
Gru ndsätzlic h wirkt a uch ei n über der Moto rd reh za hl abfallen der Mome nte nverlau f als
Traktionsregelung. Bei steigende r Motordrehzahl durch schlupfende Antriebsräder sinkt
das Motor moment und die Räder erreichen wieder die Kraftschlussgrenze (dynamisch sta-
biles Ve rhalten ),
Es gibt auch Systeme. die neben der Motorsteuerung auch die Radbremsen individu-
ell betät igen. Dadurch ka nn einerseits die Funktion eines Sperrdifferenzi als nachgebildet
werden, indem das durchdrehende Rad gebremst wird, und a nde rerseits die Fahrstab ilität
aufrechterhalten werden, indem durch gczichcs einseitiges Bremsen eine Gierbewegung
abgefangen wird. Dafür braucht das Steuergerät allerdings weite re Eingabe n, damit es den
Fahrzustand erkennen und Gegenmaßnahmen errechnenkann, So erhältes zusätzlich Daten
über den Le nkra dei nschla g und über die Wagend rehun g von einem Gier rate nsen so r. Unter-
steuert der Wagen zu stark, wird primär das kurveninnere Hinterrad gebremst. übersteuer t
er dagegen. wird das kurven äußere Vorderrad eing ebre mst . Die sonst na chteilige Abnahme
der Seitenkräfte durch die erzeugte n Bremskr äfte wirkt in dem Fall unterstützend.
Halba utomatisches Ge t riebe semi-automatic tnmsmission. Der Schaltvorgang wird
vom Fahrer übe r Knöpfe ode r Wippen am Le nkr ad eingeleitet. Alles Weitere ste ue rt der
Bordrechne r und se tzt die er forderlichen Ha ndlungen über meist elektrohydraulische Akt u-
atoren um. So wird dic Kupplung automat isch geöffnet und nach de m Schaltvorgang wieder
geschlossen. Die Zugk raft unterbrech ung des Motors. z . B. über Zündunterbrechung . nimmt
ebe nfa lls d ie elektron ische Ste uereinheit vor, siehe a uch Abschnitt 3 ( Bild M-22).
8 Brem senerg ier ückgewinnung
Kinetic energy recovery system (KERS)
Beim Bremsen wird die kinet ische Energie des Fahrze ugs
hauptsächlich (einen Anteil zur Verzögerung tragen die Fahr-
widerstände ja auch bei. vgl. Bild 1- 6) in den Bremsen in Wär-
me umgewandelt und an die Umgebung abgeführt. Damit ist
diese Energie für das Fahrzeug selbst nicht wieder nutzbar.
Gera de beim Rennbet rieb wird abe r unmi ttelbar nach dem
7341
8 Bremsenergierückgewinnung M
Bremsvorga ng wieder eine Beschleunig ungsphase folgen . Eine Phase also, in der ver mehrt
Energie z ugeführt we rde n m uss, um den Wagen wieder auf ein höheres Geschwindigkeits-
niveau zu bringen. Ähnliches wird auch beim Pkw speziell im städtischen Bereich fest-
gestellt, aber auch auf der Autobahn muss ab und zu gebremst werden. Bild ,'\1·112 stellt
diesen Sachverh alt anschaulich dar.
Es liegt daher der Gedanke (vor allem bei knapper werdenden Rcsourccn] nahe. die Brcm-
scncrgic im Fahrzeug zu speichern und bei Bedarf dem Antriebssystem wieder zuzufüh-
ren (Nutzbrcmsung, Rckupcricrcn). Den allgemeinen Systemaufb au eines solchen Systems
besch reibt Bild ,'\. 1·113.
Die kinetische Energie des Fahrzeugs wird beim Bremsen von den Rädern kommend in
einen Energiespeicher (3) geleitet. Beim Beschleunigen wird ein Teil der Energie aus dem
Speicher wieder den Rädern z ugef ührt. Diese Energie muss a lso nicht (nur) vo m Verbren-
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Bild M- 112
Energiebedarf beim Fahren.
Im Leistungs/Zeit-Diagramm ent-
sprich t die Fläche unter der Kurve
einer Energie (Ws).
Ein Fahrzeug besch leunigt in 5 s
aus dem Stand auf 100 km/h, fährt
dann mit dieser Gesch w indigke it
weiter und bremst anschließend in
5 s wieder bis zum Stillstand. Man
erkennt, dass die Energie zum Be-
schle unigen (Oreecksüäche a) der
beim Bremsen abgeführ ten Ener-
gie (Dreieck b) entspr icht.
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Bild M-113
Prinzipau fbau eines
Bremsenerqieruckqewinnunqs-
systerre.
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Energiewandler Bremsen
energy transformer braking
2 Energiewand ler zu Speicher
energy trs m tonn er storage
3 Energiespeicher energy storage
4 Energiewandler Antr ieb energy transformer
drive
5 Scha lter am Lenkrad switch at steering wheel
6 Brems- oder Fahrpedal
brake or accelerator pedal
7 Steuerge rät contra! unit
8 Trennelement disengage unit
9 Verbrennungsmotor combustion engine
10 Trennelement (Kupplung) ciutch
11 Getr iebe tra nsmissio n
12 Antr iebsräder driving wheels
MAnt riebsstrang
nungsmotor geliefert werden. Es handelt sich also bei dieser Teilfunktion um eine n Hybr id-
antrieb. Eine Steueru ng (7) sorgt dafür. dass der Leistungsfl uss in die gewü nschte Richt ung
gele nkt w ird. Beim Bremse n wir d der entsp rec he nde Energiew a ndle r (I) in d en Antrieb-
strang geschaltet (K uppl ung 8) und de r Verbren n ungsmotor je nach Dreh z ah l gege benen-
fa lls a usge kuppe lt (10). Soll die gespeicherte Ener gie wie der abgeru fen we rde n. wir d de r
Energiewandler für da s Ant reiben (4) in den Antriebstrang geschaltet und der Bremsener-
g iewandler (I ) ausgek u pp elt. Die Scha lt ungsmöglichkeiten des Sys tems sind vielfältig u nd
reiche n von einer feinen Verstärk ung der Mot orbremse bis z u ei ner vollwertigen Betriebs-
bremse. Einzel ne Elemente dieses Syste ms können a uch mehre re Aufgaben übe r nehmen:
Eine elektrische Masch ine kann sowohl als Gen er ator Bremse nergie in elektr ische umwan-
del n. als auch im motorische n Betr ieb elek trische Energie als mechanis che be reitste lle n.
Der Energiewa ndler (2) zum Speicher ka nn a uch entfallen. wenn bcidc Ene rgiewandlerzum
Antreiben und Bremsen direk t mit der Energiefo rm de s Speichers bet rieben we rden können.
Bei eine m rein hydraulischen oder pneu matische n Syste m wäre das beispielsweise der Fall.
Bei einem elekt rischen Syste m dagegen liefert ei n Ge nerator bei m Brem sen Wechsels pan -
nung. di e in ei nem Gleichrichter erst fü r die Batter ie als Gleichspan nung aufbereitet werde n
mu ss.
Je nach Eins atzzweck bietet e ine Bre msenergie r ückgew innu ng folgende Vorte ile:
K raftsto ffe rsparnis
Start/Stopp-Funktion
kurz fristige Leist ungssteigerung des Motors (Beest en) bei m Überholen oder Zurück-
scha lten
Schonu ng der Betriebsb remse
Entfall de s Retourg angs ( Ra ng ie re n m it de r gespe icherten Energie und de m Z usatzan-
trieb).
Dabei d ü rfen allerdings d ie begleite nde n Nac hteile nich t außer Ac ht gel assen we rden :
Ba ura u mbe da rf des Systems
zusätzliches Gewicht
zusätzliche r Bedie nungsa ufwa nd f ür de n Fah rer bzw. el ek tron ische r Steue ru ngsaufwan d
im Fa ll einer a uto matischen Steuerung
Ene rgiespeiche r ist sicherheitskrit isch (Unfall. A lte rung )
zusätzliche Koste n.
Wenn auch das Prinzip der Energierückgewinnung immer gleich ist, so gibt es doch zahl-
reich e unterschied liche Möglichkeiten de r Realisieru ng . Ta bel le 1\1- 12 gi bt in For m eines
morphologi schen Kastens ei nen Überb lick über einige mögliche Lösunge n.
Durch zweck mäßige Kombination der ei nzelnen Lösu ngen können daraus unterschied -
liche Syste me dargestellt werde n. Die gespeicherte Energie kann g rundsätzlich filr jeden
Leist ungsbedarf im Fahrzeug eingesetzt werden: Zur Unterstützung des Motor s bei m
Besch leunigen (Beesten. Schalt-P ush). zu m A ntrieb der Neben agg regate. z um Anfah ren
und Sta rten des Verbrennu ngsmoto rs. Natürlich ä nde rn sieh durch die Aus r icht ung des
Systems au f ei ne dieser Möglich keite n d ie An forderu nge n an die ein zeln en Fu nkt ionst räger.
Zu m Anfahren beisp ielsweise muss der Energiespeicher we it we niger Energie be reits tel-
len als zu m Beesten. Umgekeh rt muss der Energiespeicher auch fähig sein. die an fallende
8 Bremsenergierückgewinnung
Tab . M -12 Mögliche lösungen für d ie H auplfunktio nen bei Energierü ckgewinnung (mor pholog ischer
Kasten)
Funktion
l ösung
M
Druc kbehä lter Schwung rad Feder
Energiewandle r Generator
pneuma tische
Bremse
Pumpe
Energiesp eicher B at terie
Konde nsator
(Supercap)
Energiewandle r Elektromotor L uftmotor
Antr ieb
hyd raulische
Pumpe
Öimotor
Getrie be
Getrie be
Bremsenergie aufzune hmen. Zur Rcku pcration. die auch bei Pkw-Hybridanwe ndungen als
wesentlicher Vorteil angeführt wird . ist anz um erke n. dass derzeitige Batterie systeme nur
zu einem kleinen Prozentsatz in der Lage sind. die anfallende Brem sleistu ng aufzu neh-
men [MJX). Zur Vorstellung der Größenverhältnisse des Speicherbedarfs kann eine Zah-
lenwert-Abschätzun g unterstützen . Bremst ein 640 kg Formel-l
-Wagen von 300 km/h auf
!OO km/h innerhalb von 3 s, so müssen die Bremsen etwa 658 kW aufnehmen (vg1. auch
Kapitel I Rremsantage, physik alisch e G rundlag en). Derzeit erlaubt das Formel- I-Reglement
aber eine Leistu ngsrückfuhr von bloß 60 kW mit einer maximalen Energiefreisetzu ng von
400 kJ (an den Hinte rräde rn) pro Runde. Die (herkömmliche) Bremse wird in dem Fall also
immer noch gebraucht. weil der zulässige Energiefluss (= Leistung) viel kleiner als die
anfalle nde Bremsenergie ist. Weiters reicht filr dieses Beispiel im Grunde ein Speicher mit
400 kJ Kapazität. Unterhalb einer Fah rgeschwindigkeit von 100 km/h kann die gespeicherte
Energi e bei Formel- I-Fa hrze uge n, de ren Fah rleist u nge n dur ch d ie Reifentrakt ion beg re nz t
s ind. nicht zu riickgefü hrt we rde n.
Ein geeigneter Speicher muss also nicht nur leicht bei großer Leistungsabgabe sein.
sondern soll auch im dynamischen Betrieb möglichst viel Energie aufnehmen können. Bild
:\1-114 . Der Speicher muss aber nicht nur ku rzfristig (ca. 0 .5 bis 3 s) bestimmte Encr-
gicmcngcn aufnehmen. er muss auch wiede r ausreichend Leistung (= Energie pro Zeit)
abgeb en. Die ge wünschten Eigenschaften hängen vom Einsatzz wec k ab. Zur Unterstüt-
zung des Verb rennungsmotors beim Überholen (Übcrhol-Push) ist eine relati v klein e Leis-
tung (kW). aber ku rzzeitig eine groß e Energiemenge (kWs = kJ) gefragt. Dafür bieten sich
Schwungrad und Li-Ion e n-Batterie n an. Ander s liegen die Ve rhäl tn is se bei m Vermeiden
des Leistungseinb ruchs beim Zurückschalten (Schalt- Push). Hier ist ein e g roße Leistung
bei kleiner Energie erforde rlich [M37]. Ein typisch er A nwendung sfall eines Supe reeps
(Supc rcapacito r).
Bei de r an sich beliebigen Kombination einzelner Lösungen aus Tabelle M-ll zu einem
Gesamtsystem ist unter anderem auch aufdie Verträglichk eit der einzel nen Systeme z u ach-
ten. Eine mehrfache Energieumwa ndlung ist unges chickt. weil ja jede Energiewa ndlung mit
un vermeidbaren Verluste n behaft et ist. Dieser Leitlinie folgt ein rein mechani sches KERS.
Über ein stufenlos variables Getriebe (Energiewand ler) wird ein Schwungrad (Speicher)
beim Bre msen angetrieben (Syste m Flybridl . Ein anderes System arb eitet rein elektr isch und
lädt bei m Brem sen über ei ne als Gen erator wirkende elektrische Maschin e eine luftgek ühlte
Li-Ionen-Batte rie. Dazu ist alle rdings ein Um richter zw ischen den beiden erforde rlich. weil
der Ge nerator Wechselstrom liefert . die Batterie aber Gleichstro m bra ucht. Die Energierück -
MAnt riebs strang
Benzin
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10
100
1000
Energ iedichte (Wh / kg ]
100000
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1
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Bil d M -114 Eigenschaften von Speichersystemen. nach [M38].
Die speicherbare Leistung und Energ ie sind auf die Mas se des Speichers b ezo ge n. Hydra ulische Spei-
cher und Supercaps weisen dabei d ie höchsten Leistungsd ichten auf. können abe r nur relativ wenig
Energie speichern. Batterien können sehr viel mehr Energie spe ichern. bra uchen aber zu r Ene rgieabg abe
meh r Zeit (Leist ung . Energie p ro Zeit).
Zum Vergleich ist a uch Benzin eingetragen. Seine Energ iedichte reicht we il über 1000 Wh/ kg.
fuhr erfolgt ubcr dic von de r Batterie gespeiste elekt rische Masc hine im mo torischen Betrieb.
wobei de r Verbre nnungs moto r d irekt an der Kurbelwelle unterstützt wird (Sys tem für For mel
I von Me rcedes-McLa ren). Eine geschickte Kombi nation beider Systeme ist in de r so gena nn-
ten mecha nisc hen Batte r ie verw irklicht. Als Ene rgiespeicher f u ng iert ein Schw u ng rad, d as
gleichzei tig der Rotor einer elekt rischen Maschine ist (System Dynastore), Bild ~1-1 15. Die
Energiezu- und -abfuhr erfolgt also rein elektrisch. während die Speicherung mechani sch
erfo lgt. Sch w ungräde r hab en im Pr in z ip nur zwei Stellgrößen um e ine große Energiemenge
zu speichern. Die kinetisc he Energie ei nes rotierenden Körper s ist beka nntl ich Ekin
= Jw 2/2.
Soll also eine große Energiemenge gespeichert werden , muss das Trägheitsmoment J und/
oder die Drehzahl tu hoch sein, wobei die Drehzahl quadratisch in die Energiemenge eingeht.
Die Drehzahlen für ausgeführ te Schw ungräder in der For mel I liegen im Bereich zwischen
50000 und HOOOO mi n- ' damit die Schwu ngräder klein und leicht genug bleiben um im Fahr-
zeug Platz zu finde n. Bei diesen Drehzahlen wird die Luftre ibung allerdi ngs bereits zu einem
Problem. Die Rotoren laufen d aher in einem teilevak uie rten Gehäuse. Das wiederum stellt
hohe Ansprüche an die Dichtung des Wellendurchtritts. Auch die Lagerung des Rotors ist
nicht mehr mit "alltäglichen" Mitte ln darzustelle n. In de r Formel I werde n die eingesetzten
Hybridlager nachjedem Rennen geta uscht. Für Seriena nwendungen im Pkw denkt man über
langlebigere Luft- und Mag netlager nach. Der Rotor selbst muss aus eine m faser verstä rkte n
Werkstoff bestehen , dam it die hohen Energiedi chten erreicht werde n können.
Für Kommunalfahrzeuge und A rbeitsmaschinen {Abfallsam mlcr. Stadtb uss e. Gabelstap-
ler,...) mit ihrem steten Wechsel von Anfahre n und Bremsen wird auch ein hydra ulisches
System angeboten. Beim Bremse n lädt ei ne Ax ialkol beneinheit als Pumpe einen Blasen-
speicher mit Hydrauliköl. Zum Anfahren entlädt sich der Speicher über diese Ax ialkol-
bcncinhcit. die nun im motorischen Betrieb den mechan ischen Antriebstrang beaufschlagt
(Syst em Rex roth).
738 1
8 Bremsenergierückgewinnung M
Bild M -115 Energie speicher Ba u art Dynas t öre . nach [M-36]
Der gesamte Speicher bes teht aus vier solche r zylindrisc hen Einheiten (a), die im Qua dra t a ngeord net
sind (b). d adurch heben sich Kreise lwirk ungen auf u nd die einzelnen Schwungräder kön nen relat iv k lein
ble iben.
Scnmttdarstellunq (c):
1 WiCk lung winding
2 Deckel oben cover top
3 Ro to rträg er m it Lager rotor carri er with bearing s
4 Geh äuse mit Kü hlmant el h ousing with cooling jack et
5 Rotor rotor
6 Stator s teter
7 Dra htsei l rsonerk örper w ire rope isola lor
8 D eckel un ten mit int egri er ter Küh lm ilte lp um pe co ver txxtom wilh int egra led coolanl pump
Die Lage r w erden d ur ch d ie Pumpwi rkung des spez iell geformten Rotorträg er zapfen s m it Schmieröl
versor gt. Das übersc hüssige Öl dient auch de r Wärmeabfuh r vom Rotor, we il im Teilvakuum die sons t
ü blic he Konvek tion (Wärmetrans port e ur en Luft) ja kau m meh r w irkt
M Ant riebsstrang
Bei der Wahl der in Tabelle M-ll aufgeführten Energiespeicher müssen folgende Vor- bz w.
Nachteile in die Überlegu ngen einfl ießen . Tabelle :\1-13.
Tab . M -13 Eigenschaften g ängiger Energ iespeicher
Energie sp eiche r
Batter ie
Kondensator
(Supercap)
Schwungrad
Vorteil e
hohe Enerqredichte. viele Her-
stel ler
hohe Le istungsdichte , wartungs-
frei. hohe Lebensdauer
robus t. hohe Zyklenfestigkeit.
sehr hohe Lebensdauer, hohe
Leistunqs- und Energ ied ichte
Nachteile
geringe Leist unqseichte. schwer, ther-
mische Alte rung. geringe Lebensda uer
geringe Energied ichte, hoher Preis. großer
B au ra umbedarf
Verha lten bei Un fal l (Sicherheit), Bee influs-
sung des Fahrve rhaltens, Wartung erforder-
lich , Ge räuschentw icklung be im Laden und
Entladen
Bild ,\t-116 stellt wichtige Eigenschafte n von Energ iespeichern verg leichend gegenübe r.
Dabei stellt sich ein Schwung rad mit hohcr Lad eleistung bei aus reichender Speicherkapaz i-
tät sowie geringer ther mischer Alterung herausragend gegenüber den bekanntesten Batte-
riebauar te n herau s. Bei einem weiteren wichtigen Kriteri um für Energiespeicher im Fahrbc -
trieb, nämlich der Alter ung durch Lade- und Entladevorgänge (Zyklcnfcstigkcit], liegt das
Schwungrad u m Größenordn ungen vor den übrigen Energiespeichern.
1m Gegensat z zu Straß enfahrz eugen ist der Einsatz eine s Brems energierüek gew innungs-
systcms (KERS) bei Rennfahrzeugen nicht selbstredend von Vorteil. Zum Einen muss für
Formcl-I -Anwe ndu ngen eine Mehr masse von etwa 25 bis 30 kg untergeb racht werden. Nun
gibt es ja bereits Zusatzmassen. bei denen liegen die Verhältnisse jedoch anders, weil sie
in beliebiger Form an die gewünschte Stelle (z. 8. nahe der Vorderachse am Unterboden)
angebracht werde n könne n. Die KERS-Elemente haben eine fu nktionsget riebene For m und
müssen je nach Ausführung am A ntrieb strang (Getriebe, Achsgetr iebe) oder an der Kur-
250
200
100
50
o
•
Spannunguufnah~e l ~ )
-
.-..E22] zulisslge Te..peratur [ ·C )
ZyUenfestig~eit 180 ~ Entladung l x 20 .000
EB3 Leistung/wISse I kW/ kgl • 25
......... 5:
_
_
..-
o
o
N
spet cner
eier-
batterie
NiMH- Li-Ionen-
Batterie Batt eri e
Superc a p Sc hw ungrad
Bild M -116 Vergleich von Energ iespeichern fü r Fahrzeu ge. nach [M36] .
A us Verg leichsgründen sind einige Werte mit Faktoren skafiert.
9 Beispie le
beb..-c llc angreifen. Dad urch ä nde rt sich die Sc hwe rpu nktlage des Fa h rze ugs in Hö he und
Längsric htung. Das w ieder um beeinflusst die statische Achslast und die Achslastve rlage rung
bei m Beschleunige n bzw, Bre msen. Weiters muss bei m Bremsen ja der Speicher gelade n
werde n. was bedeutet, dass die Bet riebsb remse nur zu m Te il eingesetzt werden d arf. Die
richtige Dosierung beide r Bremssysteme stellt ei ne große Hera usforde rung an de n Fahre r
und/ode r an das Steuersystem des KERS dar, wenn vermieden werden soll, dass ein KERS-
loses Fahrzeug sch nelle r verzögert , also späte r b remsen kan n. Dar über hi na us b re mst KE RS
nur die A ntriebsräder. d a s sind also me ist die hi nte ren , fü r die Fah rslab ilität kritischeren.
Die Zusatzleist ung bei m Überholen auf Knopfdr uck ist wesentlich einfacher zu beherrschen,
kann ihren Vorteil allerdings - wie die Formel-l-Praxis zeigt - nur auf lange n Geraden aus-
sp ielen. Die d u rch d as Booste n erzielte höhere Geschwind igkeit zwingt de n Fah rer des abge-
sehen von K ERS gleicha rt igen Fahrze ugs ( Masse, Abtrieb) auch daz u fr üher z u bremsen.
Der Nutzen eines KERS für Rennfahrzeuge hängt also von der möglichst unges törten Balan -
ce des Fahrzeugs und von der Steuereinheit des Systems bzw. vom Können des Fahrers ab.
9 Beispiele Exam ples
Werden die Abdeck urigen und Außenhautteile abgenommen. kommt der Antriebsstrang bei
Produk tionswagen u nd Formelwag en z um Vorschein. Bei Tou renwagen u nd serien n ahen
Wagen lässt sich diese Baug ruppe als Einheit - wenn überhaupt - nur bei demontiertem
Wa ge n vollstä nd ig er kennen .
Bil d M - 117 Antriebsstrang eines Produk tionssportwagens (Osella Hon da).
An den Reihenmotor ist ein wucht iges Kupplungsgehäuse eocene recm das die Federdämpfere inheit
trägt. Das Getriebe sitzt am Ende des Wagens und ist so aufgebaut. dass die Radsätze in Fahrt ric htung
hinter dem Achsgetrie be liegen. So sind Übersetzungsä nderungen am stehenden Fahrzeug ohne größere
Zer legung sarbeiten mög lich. Das Getriebeg ehäuse t rägt an seinem Ende die Abschlep pösen und den
Heckflügel (nicht am Bild). Die Schaltung erfolgt manuell üb er das Gestänge. das durch Abg askrümm er
und Querlenker gefüh rt ist.
M
M Ant riebs strang
Bild M ·1 18 Ant riebsst rang eines Prod uk lionssportwagens.
Das Getriebe trägt den Großteil des hinteren Fahrwerks. das am Gehäuse mon tiert ist. Im Getrie be ist
das Achsget riebe integrie rt. Die Kupplungsglocke is t abge nommen , deshalb ist die Kupplungs we lle g ut
zu sehen.
Bild M ·1 19 Ant riebsst rang eines Forme lwagens (Reynard Coswcrttu Fahrt richtung nach recr rts.
Das Getriebe wi rd direkt mit d em V-Motor ve rsch raubt. Damit die außen liegenden Zylinderköpte erreich t
w erd en, kommen zus äuacn e Konso len (rechts vorne im Bild) zum Einsa tz . Das Getriebe nimm t sämt liche
Fahrwerksteile der Hint er ach se auf, Das Achsget riebe (links) b ildet den Abschl uss des Gehä uses. D ie
Mündung des Schaltqestänqes der manuellen Scha ltung lässt sich im unteren, m ittleren Bild teil erken-
nen.
Kraftstoffsystem
Fuel system
-
Die Energie zum Vortrieb gibt der viel bea chtete Motor auf die Räder ab. Aber auch er kann
nur Ene rg ie umwan deln und nicht e rzeu gen. Das Kraftst offs yste m speich ert Energie und
liefert de m Motor die G ru ndlage seiner Funk tion.
N
N Kraftstoffsystem
1 Anforderungen und Übersicht
Requirem en ts and o verview
Das Kraftstoffsystem stellt die eigentliche Energie für den Vortrieb in kompakter Form des
flüssigen Kraft stoff.s zur Verfügung. Damit diese Energie nur <lern Vortrieb dient. ist diese
Baugruppe bei Serien- und bei Rennfah rzeugen sehr stark vom Gesetz bzw, von Reglements
eingesc hränkt.
Das Kraft stoffsystem eines Rennfahrzeuges muss die kont inuierliche Kraftstoffver-
sorgung des Motors unter allen extremen Fahrz ustände n bis zum sprichwörtlichen letzten
Tropfen gewährleisten. Sicherheitsz uschläge in der Gesamt me nge des Kraft stoffes wü rden
extra Gewicht bedeuten, was verm ieden werden soll. Das bedeutet, das System muss in der
Lage sein. denTank währendder Fah rt vollständig zu entleeren. Darüberhinaus muss es ein
geschlossenes System sei n, d . h . es da rfkein Kraftstoff das System außer z um Motorbet rieb
ve rlassen.
Im Kraftstofftank befindet sich d aher ein Sammclbchähcr, de r den Treibstoff beim
Beschleunigen oder Bremsen durch dessen Trägheit zugeführt bekommt. Aus diesem Topf
saugen die Kraftsrofffördc rpurnpcn an. Die elektrische Kraftstoffpumpe wird nur zum
Starte n des Motors benötigt. Im Grunde unterschiede n sich die Systeme für Einspritzanla-
gen oder Vergasermotoren kaum. Hilder 1'\ -1 und :\-2 . Bei Systemen für Einspritzer wird
ein bestimmte r Differenzdruck zw ischen Saugrohr und Kraftstoffverteiler (fuel I"lJil) ein-
gestel lt, damit die Zu mess menge des Kraftstoffs allein über die Öffnungsdauer des Ein-
spritzventils gesteuert werden kann. Der überschüssige Kraftstoff wird wieder zu m Tank
zu rückgeführt. Dabei kan n er auch gekühlt werden und somit direkt wieder in de n Sammel-
bchältcr geleitet werden.
Bil d N-' Krattstottsys tem eines Rennfahrze ugs mit Saugroh reinsp ritzung .
1 Kraft stofft ank fuel tank
10 Saug rohr linke Seite left hand bank manifald
2 elektr. Hochdruckkraftstoffpumpe
11 Rück laufleitung zum Sammeltopf
electric hi gh pres s ure fuel pump
return fuelline inta cosecro- oo t
3 Kraft stctfpum pe engine fuel pump
12 Wärmeta useher cooer
4 Rücksch lagventil one way vaive
13 Schne lltankventil quick reeoee fuei Wer
5 Moto rkrattstotttute r engine fuei filter
14 Belüftung tank breather
6 Zumesse inricht ung metering unit
15 Überlaufbehälter catch tank
7 Druc kred uzierventil pre ssure reilef val ve
8 Einspr itzventile injectors
9 Saugroh r rechte Seite right rera bank manifoid
7441
1 Anford erungen und Übe rsicht
N
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t9
1111'
Bil d N ·2 Krattstottsystem für Vergasermotor .
1 Kraflstofftank tuel tank
2 elektr. Hochdruck kraftstoffpumpe
elecrric high pressure tuel pump
3 « rattstottp umpe engine fue ! pump
4 Rücksch lagventil one way vetve
5 Mctorkrattstottntte r engine tuel filter
6 Druck reduziervenl il pressure reuet valve
7 Verteiler distributo r block
8 zu den Vergasern 10carburettors
9 Schnelltan kventil quick release tuel filler
10 Belüftung tank breather
11 Überlaulbehälter cateh tank
Auch Pkw-Systeme müsse n geschlossene Systeme sei n. Dabei existiere n z wei Arten zu r
Kompe nsatio n der Volumen vergrößeru ng des Krafts toffs durch Erwä r mung . Eine Variante
weist einen exter nen Ausgleichsbehälter auf, die andere ein internes Ausgleichsvolume n.
Das Kraftstoffsystem von Rennfahrzeugen ist demnach wie die erstgena nnte Variante auf-
geba ut. Die Mindcstg rößc des Übe rlaufbehältcrs soll 3 bis 5 % des Tankvolu mens bet rage n.
Meist geben Reglements eine Größe vor. Ohne Überlaufb ehälter müssen im Kraftstoffbe -
hälter mindestens 10 % seines Füllraums zur Kompensation de r Wärmeausdehn ung frei
gehalten we rden [NUl].
Die Zu mess ung de s Kraft stoffs zu m Motor übern immt heutzutage bei Pkw und Renn-
fahrze ugen ein Bordrech ner. Bild N-3. Nur in wen igen Rennklassen werden noch Vergaser
zu r Gemischbildung eingesetzt.
Öldruc k
~5'"" ."" '""
Y Motor Aus
LUf ttemperat ur
OT ·Geber
Wassert emper at ur
/ Dros selklappe nw in kel
~
Bord re c hner
--
Batte r ie s pannung
Lam bdas ondenheizung
~""OW"~"'''l1~
Kraftst of fp umpe
Lambdas onde
Einspritzventile
End s tu fe Zündung
Bild N · 3 Kraftstolfzu messung Systernüberacht,
Der Bord rech ner verarbe itet alle relevanten Signale u nd steuert na ch einem einprogram m ierten Kennfeld
die Einspri t zmenge des Kraf tstoffs .
N Kraftstoffsyst em
2 Kraftstofftank Fuel tan k
Größe size. Das Fassungsvermögen des Tanks wird aus der geforderte n bzw. von einer
Rennstrategie abgeleitete n Reichweite bestimmt. In einigen Reglements ist die max imale
Tankgröße nach dem Motorhubraum gestaffelt. Bei Serienfahrze ugen erfo lgt bei fehlenden
Daten eine Beda rfsermittlung mittels Grobabschätzung des Kraftstoffverbrauchs.
Bei Rennfahrzeugen ohne Bctankungsmöglichkcit während des Wettbewerbs wird die
Menge aufdie Länge des Rennens oh ne Sicherheitszugabe abgestimmt. Das ma ximale Fas-
sungs vermöge n des Tanks wird im Allgemeinen aus Sicherheitsgründen vom Reglement
limitiert. In der Turbo-Ä ra der Formel 1(19K4/85) durfte der Tank 220 Ifassen. Dies wurde
191\6 auf 195 Ireduziert. heute bet ragen die Volumina zwischen 110bis 150 I. Der Verbrauch
von For mel- I-wagen liegt dur chschn ittlich bei e twa 70 11100 km. Serien- Pkw verbra uche n
je nach Fahrweise und Beladung um 8,5 bis J() I!\OO km. Eine weitere Überlegu ng zu r
Tankgröße ist die zus ätzliche Masse, die in Form von Treibstoffmitbeweg t werden muss. In
der Formel I beispielsweise rechnet man mit einem Vorteil von (),3 bis 0,4 s pro Runde und
pro 121 weniger Kra ft stoff {vg l. Kapitel B 3.2 Kon zeptverg leich , !.Jas se ). Ist Nachta nke n im
Rennen erlaubt. kann ein kleinerer und damit leichterer Tank durchaus sinnvoll sein. In den
meiste n Renn klassen ist der Kraft stoff zwar vorgeschrieben. jedoch er möglicht die erla ubte
Bandbreite eine Beeinflussung der Eigenschanen in gewissen Grenzen . Schließlich besteht
ein Kra ftstoff aus bis zu 250 chemische n Bestandteile n. D;IS FIA-Formel-I-Regle ment
grenzt die z ulässige Dichte zwisc hen 0.72 und 0.775kg/Ibei 15"C ein [Nm}. Die Kraftstoff-
herst elle r können so be i g leichem Ene rg ieinhalt eine n möglichst leichte n (gravimet risch
günst igen) oder eine n möglichst dichten (volumetrisch günstigen) Kra ftstoff bereitstellen.
Eine lüu- l -Tankfüllu ng mit gravimetrisch gü nstigem Kraftstoff spart 5,5 kg Masse gegenü-
ber dem dichteren Treibstoff. Das gibt einen Rundenzeitvorteil von etwa 0.2 s. Bei Rennen
mit mehreren Ta nkstopps bringt der volumetrisch günstigere Kraftstoff wiederum Vorteile.
Das Fahrzeug ka nn in kürzerer Zeit mit der erforderlichen Energiemenge betankt werde n.
Die Unte rschiede mögen minimal sein , in den höchsten Ligen des Renn sports verschaffen
sich je doch erfolgreiche Teams mit solchen .,Kleinigkeiten" den entscheide nden Wertbc-
werbsvor te il.
Tab . N - 1 typische Werte von FIA FT-3 Sicherhe ilstanks, sohaumstottqetüüt.
Inh alt [I] Abmessungen LxBxH [mm]
15
254 x240x260
30
510x241x260
60
635 x390x260
Masse [k gl
1.5
2.3
3.8
Wird eine Feinabstimmung des Tanki nhalts gefordert. erfolgt diese z. B. mit v olumena us-
glcichsbällc n aus Kunststoff. Typische Durchmesser liegen zw ischen 70 und 150 mm.
Anordnung urrungemell! . Die Anordnung des Tanks wird beim Pkw durch erforderliche
Crashschutzm aßnahmen gep rägt. C harak terist isch ist die Platzie r ung im cr ashgeschützten
Bereich vor und im Bereich der Hinterac hse bei Front motorfahrzeugen. Ein Zielkonflikt
ergibt sich bei hinterachsgetriebenen Fahrze ugen, bei denen man zu Gu nsren einer höheren
2 Kraftstoff tank
N
Bild N- 4 Lag e d es Kraftst off tanks bei einem Formelwagen .
Der Tank ist zwisc hen Fahrer und M otor geschü tzt angeordnet. Diese schwe rpun ktsnahe Lage beein-
flusst außerdem das Fahrverhalten wenig.
Hinterachslast den Tank bevorzugt hinter der Achse anordnen würde . Die heute übliche
Anordnung des Tanks im cras hgeschützte n Bereich führt dazu, dass bei eine r durch den
Kunde n gewü nschten Durchlademöglichkeit (z. B. für Ski) eige ne Tankvarianten mit geri n-
gere m Volume n ange bote n werden [ N06].
Bei den M itte lmotor - und He ckm otorfahrze ugen w ird der Tank im crashsichc rcn Ber e ich
hinte r de r Vorderac hse angeo rd net.
Bei Rennfahrze uge n ist vor alle m ei n geringer Einfluss auf das Fahrverhalte n w ichtig.
d. h. der Tank soll möglichst tief und zentral angeo rdnet sei n und so die Massenträgheits-
mom ente des Fahrzeugs nur wenig be ei nflussen . Die bei Monoposti übl iche Lage hinte r
dem Fahrer in de r Mill e des Fahrze uges ( Bi ld 1\-4) nimmt auch bei unterschied lichen Füll-
stände n nur wenig Einfluss auf das Fahrverha lten. Der Tank soll möglichst durch trage nde
Strukture n geschützt werden. Bei einem Übersc hlag darf kein Kraftstoff austreten.
In viele n Reglements ist die Lage gcnaue r eingegrenzt vorgeschrieben: Der Kraftstoff-
behälter mus s vor der Hint era chse und in eine m Bere ich um die Fahrzcug längsmittelebene
angeordnet werde n.
Bei manchen Fahrzeugen wird das Kraftstoffvolumen auf mehrere Tanks aufgeteilt. Das
erleichtert die Unterb ring ung der Behälter und er möglicht auch eine selektive Tankentlee-
rung. die vom Fahrer geste uert werde n kan n um die Massenve rteil ung nach seinen Wün-
schen zu beeinfl usse n [NOS]. Ein Extrem diesbezüglich stellten wohl die Ligicr Formel-
I-Fahrzeuge der 1970er Jahre dar, die siebe n Ta nks aufw iesen. Sechs seitlich neben de m
Fahrer untereinander mit Rückschlagventilen verbunden und der letzte Tank zent ral hinter
der Schottwa nd zu m Cockpit. Durch die beim Beschleu nigen wirkenden Trägheitskrä fte
e ntleer ten s ich die Ta nks von vorne nac h hinten [NOS}.
In j edem Fall muss eine Ablaufmöglichkeit im Tankrau m bzw. in der Struk tur. die den
eige ntlichen Tank umgibt. vorgesehen we rde n. falls Kraftsto ffa us de m Ta nk a usläuft. Andern-
falls würde man ein Leck im Tan k womöglich viel z u spät entdecke n. Darüber hi naus könn te
Kraftsto ff in das Cockpit gela nge n. Am ei nfachste n sind 3- mm-Boh ru ngc n im Ra ndbe reich
des Bodens.
N Kraft stoffs ystem
Die Lage von Leitungen wird beim Pkw durch Forde rungen de r Produktion und von sicher-
hcitsrclc vant cn Kr iterie n gep rägt. Eine crashsi chere. kreuzungsfreie Verlegu ng m uss durch
sichere und verwechslungsfreie Schnellverbind ungen einehohe Produktionsqualität gewähr-
leisten. Eine Min imierung der Verbind ungsstellen kraftstoffführender Leitungen in Verbin-
dung mit Werkstoffen, die eine geringst mögliche Kraftstoffdiff usion ermöglichen, ist zur
Reduzierung der Kohle nwasserstoffem issionen erforde rlich. Aus gleichem Grund werden
Akti vkohlebehälter (Volumen 1.5 I bis ca. 5 Ije nach Tankvolumen und Bctanku ngscntlii f-
tungssystcm) zur Zwischenspeicheru ng de r im Fahrzeugbetrieb (z. B. Tankerwärmung. in
den USA auch fiir den Bctank ungsvorgaugj frei werdenden Benzindäm pfe eingesetzt.
Bei Rennwagen können Kraftstoffleit ungen auch durch d as Cockpit geführt sein. Solche
Leitungen sollen st ahlgcflcchturn mantcltc Druckleitu ngen sei n und mit Schra ubansch lüs-
sen gefügt werde n [N07].
Bau forme-ll designs. Die mechanische Kraft stoffpu mpe fördert den Kraftstoff meist nicht
direkt aus dem Tank. sonder n aus einem Sammeltopfzum Motor, Bild i\ -5 . Der Kraftstoff
gel angt durch üblicherweise vier Rohre mit Rückschl agventilen in diesen Topf. Die vier
Rohre reichen bis in die vier Bodenecken des Tanks. Beim Brems en und Beschle un igen
wird der Kra ftstoff durch die Trägheit in die entsprechende n Rohre gedrückt und de r Sam-
mcltopf gefüllt. Die Rückschlag ventile verhinder n das Austreten des Kraftstoffes in den
gege nübe rliegende n Roh ren .
Der Semmeltopf wird von oben in den Tank eingesteckt und über einen Flansch ver-
schra ubt. So lässt sich das Filter auch im montierten Tank leicht erreichten. Es si nd auch
Semmeltöpfe erhältlich, die in den Tank gestellt werden und vom Schaumstoff in Position
gehalten werde n, Bild :'\- 6 .
Kraftstofft anks von Rennfah rzeugen können und sollen auch schaums toffgefüllt sei n.
Rild N- 7. De r Schaumstoff ve rd rä ngt ca . 3 % Volumen pro Lite r, wirkt als Schwallsc hutz
und erhöht die Wirksamkeit von elastischen Sicherheitstanks bei einem Unfal l. Außerdem
ermöglicht er mit einer entspreche nde n Absangvorrichtung den Kraftstoff bei nahe restlos
abzusaugen. Damit trägt dieses Prinz ip auch zur Ge wichtserspa rnis bei, m üsste doch sonst
um Luftansaugung zu vermeiden mehr als nötig eingefüllt werden. Der Schaumstoff muss
Bild N-5
Schema eines krattstotttanks.
1 krat tstottoenätter fu el tank
2 Samrnertoct ccsecrc- ox
3 Necerc nckmter
low pressure filter
4 Füllrohr mit Rücksch lagventil
pick up /ine with one way
,"Ne
5 Saugleitung lead /ine
6 zur krattstoffpumpe
to the toet pump
7 Rück.laulle itung return line
8 Topf·Ent lüftung pot brearher
9 Schnel ltankven til
qic k release fuel filler
10 Tankenllültung tank breather
1
,9
2
8
3
5
6_
748 1
2 Kraftstofftank
Bild N-6
Sammettopf.
Der Sarnrnertopt w ir d i n den krattstotttank einge-
setzt und von der Scha umstofffüllung gehalten.
Die d rei Kla ppen wi rken als Rücksch lagventile
und erlauben dem Kraf tstoff nu r in den intern en
Sarnrnelbenätter zu fließen. Das Volumen des
Sammetbehälters bet rägt 3 I.
Bild N·7
Tankschaumstott
Der Schaumstoffklotz wird in einen elastischen
Tank eingebracht und d ient als Schwanbremse. An
Bere ichen von Absaugstut zen und Entlült ung sven-
til ist er ausgeschni tten.
N
an Stellen. wo sich Belüftungsventile. Absangstutzen usw. befin den. ausgeschnitten werden.
Wird der Tank im Fahrze uginnenraum ohne Schott wand zum Fahrer hin eingebaut. muss
der Tank in einem feuerfesten und flüssigkeitsdi chten Sicherheitsbehälter untergebracht
sein. Dieser besteht z. B. aus Aluminium, Bild ~-8.
Elastische Tanks im Kofferraum von Produktions-Tourenwagen müssen mit einer feuer-
festen und flüssigkeitsdi cht en St r ukt ur um geben sein.
Bild N-8
krat tstontan k für Rennfahr zeug .
Der eigentliche k rat tstotrbe -
härter besteht aus elastischem
faserverstär kten Etastcrner und
befindet sich in einer kfstentör-
migen ecnerreneeeue. Nach
FIA-Vorgaben i st u a. d er Her-
steller und das Ablaufdatum der
Gebra uchsgültigkeit außen an-
geben.
N Kraftstoffsyst em
Bild N-9
Krafts tofftank für Tourenwagen .
Der Tank ist satle fförmig weil er
in der Mitte Platz für den Ge -
lenk w ellentu nn el lass en muss. In
der rechten Flanschplatte kann
ma n zwei Krattstotrpu-npsn er-
kennen.
Sicherheusta nks beste hen aus einem fase rverstürkten Elastomc r. aus Verbundwe rkstoffen
oder aus einer Kombination aus beiden. Ocr Behälter wird zunächst aus einzel nen, zuge-
schnittenen Teilen zusa mme ngesetzt und anschließend im Autoklaven z u einem Verbund
zusammenvulkanisiert bzw. verklebt. Ocr Tank schmiegt sich an die stützenden Umgc-
bungswändc an. Er kan n bei der Montage zusamm engefaltet durch eine relativ kleine Öff-
nung in den Aufnahmeraum eingefüh rt werde n. Bei Einsitzern wird er z. 8. du rch eine
ovale Ö ffnung im Monocoquc in den Aufnahmebe reich gest eckt und dan n die Flanschplatt e
für sämtliche Anschlüsse angesc h raubt.
Die FIA verlangt einen Tank. der von einem von ihr akkreditierten Hersteller stammt.
Der Tank muss u. a . den Namen des Herstellers, eine Seriennu mmer und das Herstelldatum
aufgedr uckt haben . Weil durch Alterung die Werkstoffeigenschaften des Ta nks leiden. muss
er entweder nach filnf Jahren ersetzt ode r vom Hersteller überprüft werden . Die positive
Prüfung verlängert die Einsetzbarkeif des Kraftstoffbehälters um höchstens zwei Jahre.
Tan ks von Serienfah rzeugen werden aus Kunststoff {Lupolcn , Hostalen usw.) oder Met all
(legierte Aluminiumbleche . Tiefziehstä hle und hochlegierte Stä hle) hergestellt.
Bild N -10
Elast ischer Siche rheitstank für Rennfah rzeug.
Diese Tankb lase besteht aus faserverstärkten Elas-
tomer. Die Einfü llstutzen. Entlüftungen usw. sind
n icht montiert. Diese werden mitte ls Me tall-Flan -
schen mit dem Tank verschraubt.
3 Anschl üsse
3 Anschlüsse Co nnections
Die Öffnunge n des KraftstofTtanks we rden mit Flanschen aus Aluminium verschlossen .
Die Öffnunge n sind g roß geha lten. was ein einfaches Rei nigen des Tan ki nne ren e rmög licht.
Flansche sind entwe der einfache Blindfla nsche zum bloßen Dichten oder sie tragen Einftill-
stu tze n. Ent lüftu ngsve nt ile. Sa m meltöpfe sowie Ta nkkra ftstoffpu mpe n.
Sämtliche Ansch lüsse müsse n feuerbeständig ausgeführt sein und werde n im Fahrzeug-
inneren untergebracht. An Verbindu ngsleitu ngen müsse n selbstsc hließende Abre ißventile
angebracht sein. d ie ein Auslaufen des K raftstoffes bei einer unfa llbedi ngten Trenn ung zw i-
schen Tank und Rahmen unterbinden.
N
Bil d N-11
Einlüllst utzen fü r Bennfa hrzeuqe.
Der Einfüllstutzen wird m ittels Frenscbptatte m it
dem Tank versch raubt. Eine zwischen gelegte
Dichtung dichet d ie Plat te ab. Die Flanschp lalte
träg t da rüber hinaus vie r Entlüftungsventile.
Einfüllst ut ze n fil/er neck. Bei m Beta nken wird der Kraftstoff über ein Füllrohr cingc-
füllt. Das Ende dieses Rohrs wird mit ei nem Drehverschluss gedichtet (Bild N-I2) oder
mit einem Schnelltankventil (Bild N-I3). Dieses Ventil ermögl icht eine Schncllbctankung
während ei nes Boxen stopps ohne dass irge ndwelche Verschlüsse auf- ode r zugedreht wer-
den müssten . Außerdem dichtet dieses Ventil die Einfüllöffnung auch bei eine m Überschl ag
ab. Das ist bei einem einfachen Drehverschluss nicht der Fall und es muss ei n eigenes Rück-
Bild N·12
Heck eines Tourenwa-
gens.
Der Tankeinfüllstutzen
w ird m it einem Schraub-
verschluss
gedichtet.
Eine Überlaufwanne fäng t
abt ropfenden Krafts toff
beim Tanken auf. Außer-
dem sind im Bild ein ste-
hender Troc kensumpfbe-
hälter samt Überlaufgefäß
des Schmiersys tems und
dahinter ein abgedich te-
ter Batte riekasten zu er-
kennen .
N Kraftstoffsyst em
~'/
2
3
Bild N· 13 Schne lltank venlil refuelling valve.
Das Ventil kann über sein en Flansch direkt in d en Einlüllstutzen des Kr aft st offl ank s eingebaut werden.
Beim Be t an ken während des Rennens, wie es z. S . bei Langst reckenrennen n otwendig ist. wird ein p as-
s end es Schla u ch ventil (Bild N- 14) aufgesetzt. da s d en Teller (2) aufdrückt.
1 Flansch
2 Vent ilteller
3 Führungssä ule
schlagvcmil vorgesehen werden. Ein Schnelltankventil besteht aus einem Ventilteller (2).
der beim Tanken durch das Schlauchventil aufgedrückt wird. Umgekehrt öffnet ein Kragen
im Flansch (I) des Schnellta nkventils das Schlauchventil und gleichzeitig dichtet die In nen-
seile des Flansches den Schlauch gegen die Umgebu ng ab. Beim Abziehen des Schlauches
schlie ßen bcidc Ventile fede rbe lastet.
Die Lage und vor allem die Ausrichtung des Tankventils am Fahrz eug ist ftir unfall freie
Schnellbetank ungen einige ergonomische Überlegu ngen wert. Der Schlauch mitsamt dem
Schlauchventil ist relat iv schwer und muss von de n Mechanikern einfach aufgesetzt und
wieder abgezogen werden können. Als günstig er weist sich dabei eine hüfthohe Anordnung.
bei der das Schlauchventil horizontal an das Fahrzeug herangeführt werden kann . Ferraris
Bild N-14
Schlauchventil.
Beim Betan ken w ird das Ven-
til auf das Tankventil aufgesetzt
und über die beiden Griffs tücke
niedergedrü ckt. wodu rch der
Schla uchventilteller den Tank·
ventilteller aufdrückt und der
Krattstott zu strömen beginn t.
Diese Ventile sind für hohen
Durchsatz bei geringen orte-
reo zorücken ausge legt.
fllSTotllC JlAcINO
WWW.strassrn
ayr.CO
3 Anschl üss e
Bild N-15
Schnelltankventi l an einem
Produktionssportwagen
(Pro Sport 3000).
Zur raschen Betankung sind zwei
Ventile angebracht. Beim Betan-
ken werden ceoe Ventile aufge-
d rückt. Durch das untere läuft
der Kraftstoff ein und das obere
d ient der aus dem Kraftstoffbe-
hälter verdrängten Luft zum Ent-
weichen.
Bild N· 16
Kraftstoff schlauch für Betan-
kungsvorgang an einem
Formel-1-Wagen.
Beim Betanken wird der SChlauch
am Griffbüge l von einem Mecha-
niker gehalten und gegen das
Betankunqsventä gedrückt.
Bild N-17
Betankungsan lage Formell.
N
N Kraftstoffsyst em
Formel 1 TClI m musste das schmerzlich feststellen. als die Lage des Tankventils um Fl-
20(lO aus aerodynam ischen Grü nde n verlegt wurde. Im Gegensatz zum Vorgängcrfahrzc ug
war das Ventil fast senk recht und noch da zu hinter der Cockpitverkleidung verborgen. Die
Mechaniker musste n nun den schweren Schlauch über die Schulter legen und diesen von
oben auf den Tankstutzen drücken. Diese ergonomisc h ungü nstige Position fllh rtc dann
auch zu einem Zwischenfall beim Nachtanken im Renne n [N04] .
Beim Ta nken während eines Boxenstopps fließen bis zu 12 l/s dur ch den Tan kstutzen .
An einer üblichen Tankstelle beträgt die Durchsatzrate vergleichswe ise etwa 40 lImin also
ca. 0.7 l/s. Das Fahrzeug wird beim Beta nken geerdet. damit keine Funken durch elektro-
statische Entladung zwischen Fahrze ug und Einfiillstut zcn überspringen. Auch die Boxen-
man nschuft . d ie mit Krafts toff um geht, so llt e ant istat ische Kleidu ng tra gen.
Rückschl ag ven t il check vai ve. Rückschl agventile werden im Einfüllstutzen z w ische n Tank-
deckel u nd Kraftstoffb eh älter eingebaut. Sie verhindern. dass Kraftst offb eim Überro llen des
Fahrzeugs austritt.
Bild N-18
Rüc~schlagve nti le_
Diese Rüc kschlag ventile wer-
den in den Einfüllstutzen einge-
baut. Sie lassen den Kraftstoff
nur in einer Richtung durch
st römen und verhindern so bei
einem Unfall, d ass Kraftstoff
über den Stutzen auslauf t.
En ttürru ng sven tü rank breathcr vatve. Eine Ta nkbelüftung ist erforderli ch. wei l de r Inhalt ja
vom Motor im Betrieb entleert wird und die entsprechende Menge Luft zum Druckausgleich
nac hfließen könne n m uss . Bei ste ige nde r Tempe ratu r muss wcgen des steigenden Kraftstoff-
dampfd rucks auc h in um gekehrter Richtu ng ein Drucka usg leich möglich sein. Beides stell!
ein Entlüftungsventil sicher. Darü ber hina us da rf kein Kraftstoff bei einem Unfall ins Freie
gela ngc n. Es muss dem na ch auc h ein Rüc ksch lagventi l integriert se in. Entlüft ungs ventile
sitzen a uf de r Tankobe rseite ode r werden in die Entlüftun gsleitung eingeba ut.
,?~,·Ob"',"'.
~ l~ehiHter Bild N-19
Entlüftungsventil.
Dieses Ventil wi rd auf der Oberse ite des Tanks
eingeschraubt oder stehend in die Entlüftungs -
leitung zum Übertaufbehälter. Das Ve ntil öffnet
durch d as Eigengewicht de r Kug el erst ab einem
gewissen Überd ruc k zur Iankentlüftunq. Sinkt
der Druc k im Tank druckt der Umge·bungsdruc~
die Sche ibe nach u nten und läs st so Luft über
die Nut en am Umfang in den Behä lter strö -
men. Kip pt das Ventil oder steig t der Durchsatz
in Rich tung Übe rlauf extrem sta rk an (Unfall),
sch ließt die Kugel das Ventil völlig.
4 Kraftstoffpumpe
A beelß ve n r ll breokaway valve . Kommt es zu einer Leckage in ei ne r Kraftsto ffdruckle i-
tung (Reißen einer Leitung durch Unfall ctc.). schließt das Ventil dad urch, dass die Durch-
flussmeng e über eine n eingestellten Wert a ns teig t.
Sc h nel lku pplu ng quick releuse coupting. Für ma nche Vera nstaltungen (z. B. Rallyes. For-
mel 3. Formel Renau lt) werde n Kraftstoffentnahm eventile verlangt. Technische Kom mis-
sare entneh me n ei ne Kraftstoff probe. Dafür muss ein Ent n ah mest utze n m it ei ner selbst-
sch ließe nde n Kupplung in eine r vorgeschriebenen Größe angebracht sein .
N
Bild N-20
Tankanschlüsse .
Der Flansch ist an de r Oberseite
eines Sicherheitsb ehälters an -
geb racht. Der B ehälter befindet
sich im Kofferr au m eines Touren-
wag ens. Der Einfüllstutzen befin -
det sich in der Mitte umringt von
Anschlüss en. Zwei A usgäng e
(Dullet) führe n zu zwei Kraftstoff-
pump en außerhalb d es Behäl -
ters. Eine Leitung ist der Rücklauf
und die Leitung im Vor dergrund
ist die Entlüftun g sleitung (Vent)
z um Uberlaut behälter;
4 Kraftstoffpumpe
Das Fördc rvolu mcn de r Pumpe muss bei Syste men m it Kraftstoff rück laufdeutlic h höher als
der maximale Kraftstoffbeda rf des Motors sei n. Zum ei nen braucht de r Druck regler ei nen
gewissen Volume nstro m für ei ne stabile Regelfunktion. z um an dere n ist das Hcißfordcrvcr-
halten der Pumpe mit bis zu 50 % Einbußen der Ncnnfö rdcnncngc zu berücksichtigen.
Es we rde n elektr ische u nd mechan ische Kraftstoffpu mpen eingesetzt . Elektrische Pum-
pen kö n ne n im Tan k ode r in der Kra ftstoffvo rla ufleitu ng (Inli ne -Pumpe) eingebaut sei n.
Die Inline- Pumpe muss zwar wegen der Entfernung zum Tank ein gutes Saugverhalten
aufweisen, dafür ist sie leicht zu prüfen und zu reparieren.
Eine elektrische Kraftstoffpumpe wird bei Formel-I -Motoren nur beim Start und bei
langsamer Fahrt be nöt ig t. Be i höhe re r Drehzahl ko mm t de r erforderliche Benzind ruck von
einer mechani schen Pu mpe, die von einer Nockenwelle ange triebe n wird . Eine rein elek-
trisc he Versorg ung w ürde zuvi el Stro m ve rbra uch en [NOS ].
Mit ste igender Motordrehzahl w ird d ie zu r Verfügu ng stehende Zeitspanne für d ie
Gem ischbildung imm er kleiner. Bei den hochd rehenden Formel-I-Triebwerken werde n
dah e r Kraftstofffördc rdrücke von 70 bis 80 bar aufgebaut . Dies e rlaubt bei gle icher ei nge-
brachter Kra ftstoffmenge di e Einspritzdauer au f XO°KW zu red uziere n [N02}.
N Kraftstoffsystem
Bild N-21
Elektrische Kraftstoffp umpe (Hochd r uckpumpe.
An den Enden befinden sich die Schraubanschlüs-
se für Saug und Druckanschluss. Die bei den elek-
Ir ischen Anschlüsse sind auf der r echten Seile zu
e rkennen .
ein: M14 x 1,5;
aus:M12 x 1,5
ein' ); Ml0 x 1,0:
aus'': M 10 x 1.0
Kraltstoffanschluss
ein: M18 x 1,5;
aus: M12 )( 1,5
Tab . N ·2 Daten von elektrischen Kr aflst off p um p en [NOS].
Modell Spannung [V] Förderdruck [bar] För d e rv ol u m e n (l/h]
A
12
2.5
135
B
12
3
148-237
C
12
5
135-220
1) ein: Pumpeneopanq, Sauqseite: aus: Pumpenausgang , Druckseite.
Die Pumpe sollte mögl ichst tief im Fah rzeug eingebaut werde n. Ocr Schwerpu nkt bleibt
nieder und die Pumpe läuft nicht leer an. Überhaupt sollen Pumpen eine möglichst kurze
Saugleitung haben. weil der Kraftstoffja durch die Druckdifferen z zu r Umgebung bzw, die
Schwerkraft zur Pumpe gefördert wird. Pumpe n können also wese ntlich besser fördern als
saugen. Sie sollte auch von Wärmequellen entfernt eingebaut werden bzw. zumindest mit
Kühlluft beaufschlagt werden um Dampfblasenbildu ng unbedingt zu vermeiden. Die elek-
trischen Anschlüsse müsse n fest. also z. B. versc hraubt. ausgeführt sein.
Bei den meisten Rennfah rzeugen muss die Kraftstoffpu mpe vom Fahre rplatz aus abge-
schaltet werden können. z . 8. mit einem Kippschalter.
Bild N-22
Kraftstoffpumpen.
Die beiden krattstottoornpen be -
finden s ich im Kofferraum eines
Tou renwagens und s ind para llel
geschaltet.
Rahmen
Chassis
Der Rah men oder das Chassis bildet sprichwörtlich das Rückgrat eines Rennfahrzeugs. Bei
Straßenfahrze uge n mit ihrer selbs ttragenden Karo sse r ie ist d ies nicht (mehr) de r Fall. Be i
Rcnnfahrzcugcn ist die Bauweise. dass maßgebende Baugruppen möglichst direkt mitei-
nander verbu nden werden . wesentlich ausgeprägter, muss j a auch kein Platz für Gepäck.
Laste n o de r Pas sagie re vorgese hen werde n.
o
o Rahmen
1 Anforderungen Requirem ents
Funktion [unction. Folgende Aufgaben werde n vom Rahmen übernommen:
Verbindung der Radau fh ängungen.
Übertragung der eingeleitete n Betriebskräfte.
Gewäh rleistu ng des e rforder lichen Cras hverhalt ens.
Aufnah me von Motor. Antr iebsst ra ng und Hilfskompcn cnrcn.
Aufnahme des Cockpits bzw, Unterbringu ng des Fahrers.
Beta stungen loads. Die Belastu ngen, d ie de r Rahmen bei de r Erfü llu ng seiner Funk tion
ertrage n muss . sind vielfältig u nd e rgebe n sich im Einze lne n:
aus d en Ra dkräften:
Umfa ngskrä fte (Tre ibe n. Bre msen) ,
Querk räfte (Seiten führung ).
dynam ische Radlasten (Normalkräfte).
innere Kräfte u nd Momente,
Motorschwing ungen:
Massenkräfte und -momcnrc.
Luft- u nd Trägheitskräfte.
Das Ziel bei d er Rah mengest altu ng ist eine Re alisieru ng hoher Steifigkeiten bei ge ri ngem
Gewicht . Vor alle m die Torsionss teifig keit um die Längsachse ist fü r d ie geplan te Funk tio n
des Fah rwe rks. also für das Fah rverha lten wicht ig.Ein steifer Rahmen sorgt dafür, d ass die
gew ünsch te, vom Fahrwerk vorgegebe ne Radst ellu ng auch tats ächlich ei ngeh alte n wird.
Weiters funktionieren Tor sionsstabilisatoren nur mit ausreichend steifem Rah men wie gep-
la nt. Ein tors io ns weiche r Rah me n fü h rt zu eine m Ra d lastausg leich gegenüberliegende r
Räd e r bzw. w ird vom Stab ilisator verdreht.
Die Biegesteifigkeit ist im Vergleich z u r Torsio nss teifigke it wenige r e ntsche ide nd. Träg t
eine Bieg ung um die Qu erachse doch nicht zur Radlastverlageru ng (gcnaucr Achslustver-
lage rung) bei.
Im gesamten Entw urfs prozess des Fahrze ugs ist der Rahme n an sich nicht die wichtigste
Baug r upp e. Die Fah rer position. das Fahrwer k, de r A ntriebsstrang usw. si nd wesen tlich e nt-
scheide nder und werde n vorher entwo rfen. Der Rahmen muss "b loß" an die dad urch vorge-
gebenen Aufnahmestellen angepasst werde n und nicht umgekeh rt.
Be i integ rie rten Se hale nrah men ( Mo no eo q ue) sind die Verhäl tn isse naturge mäß völlig
ande rs, weil mit dem "Rahmen" ein Großteil des Fahrzeugs festgelegt wird.
2 Bauarten Typ es
Im Re n n fah rze ugbau gibt es einige gru ndlege nde Arten von Rah men . Wobei eine Entwick-
lung über die Jahre feststellbar ist, beginnend vom Trägerrahmen über Leiter rahmen zu
Gitterrohrrahmen. Er wurde später in den höchsten Rennklassen durch den Kastenrahmen
ab gelöst. Die Kastenfelder waren z unäc hst Blechplatte n s päter w abe nke rnplatte n. De rz eit
stellt ei n Monoeoque in faserverstärkter Kuns tstof fbauweise die Spitze de r Entwic klu ng dar .
758 1
2 Bauarten
Daneben existieren aber auch Mischbauweisen. die geschickt Vorteile einzel ner Bauweisen
kombinieren. An einen Kasten rahmen. der den Vorder wagen und das Cockpit bildet, ka nn
so beispielsweise eine Gitterrohrkonst ruktion angeschraubt sein, die den Motor mit Getriebe
aufnimmt. wenn dieser Verband 1I11ein nicht geeignet ist sämtliche Kräfte aufzunehmen.
Gru ndsätzliche Überlegu ngen können unabhängig von der Bauart des Rahmens angc-
stell! werd en, wenn auch die Erkenntn isse nicht bei allen Bauarten gleich wirkungsvoll
ums etzba r sind. Die Lastein leitung soll großflächig erfolgen. das vermeidet Spannungsspit-
zen und dickwandige Bauteile. Annähernd pun ktförmig angreifende Kräfte. wie sie etw a
durch Fahrwerksanbindungen entstehen können. sollen an Stellen eingeleitel werden, wo sie
auch direkt (also ohne Biegung ode r Torsion hervorzurufen) weitergeleitet werden. Solche
Stellen sind Knoten bei Gitterrohr rahmen oder Schottwä nde bei fläehenförmigen Rahm en .
2.1 Gitterrohrahmen Tubular spacefra me
Gitterrohrra hmen bestehen in erster Linie aus (Profil-j k ohrcn. d ie nach Vorbild eines Fach-
werk s eine räumliche Struktur bilden. Die Festigkeit des Rahmens ergibt sich aus der Anord-
nung der Werkstoffanteile relativ weit entfer nt von den Bauteilen. d ie der Rahm en aufnim mt.
Solch ein Rahmen stellt also ei ne Leichtbaukonstr uktion aus Stabelemente n dar.
Gitte rrohrrahmen sind ihr er Verwendung nach schon sehr alt und wurden in manchen
Rennserien schon lange du rch andere Bauweisen abgelöst. Wegen ihrer Eigenschaften sind
sie aber denn och auch heute noch für einige Hersteller und Rennserien interessant. So basic -
rcu viele Sportprototypen auf einem Stahlgitterrohrrahmen. der mir Glasfaser- oder CFK-
Außenhautte ilen verkleidet wird. Ebenso bietet sieh dieser Rahmen bei Toure nwagen an,
wobei de r Überrollkäfig direkt in den Rahmen integ riert ist. Viele Raid- Fah rzeuge erhalten
ihre Festigkeit durch einen Gitterrohrahmen unter ihrer Außenhaut, die der Form einer
Serienfahrzcug-Karosscric nachempfunden ist. ln der nordamerikanischen NASCAR-Serie
(die in den USA wesentlich populärer als die Formel 1ist) fah ren sämtliche Fahrzeuge mit
einem solchen Rahmen.
Vorteil e adva ntuges;
gutes Stcifigkeits/G ewi chtsverhältnis.
gewichts parende Bauweise bei gleichzeitigem Pote ntial hoher Biege - und Torsion sstci-
figk cit .
einfache und kostengünstige Herstellung,
ein fache Reparat ur möglich keit nach Unfällen.
einfache Möglichkeit nachträglicher Änderungen in bestimmten Bereichen: z. B. Motor-
einbau .
gute Zugängliehkeit zu innenliegenden Komponenten.
Überrollstru ktur kann leicht integ riert werde n.
Nachre tte dlsadva nt ages:
teilweise aufwänd ige Vorberei tung der Stabenden vor dem Fügen. Eigenspannungen
durch Teleran zen und Schweißverbindungen (örtlicher w ärrnccintrag).
Außenhau t bzw. Verkleidung in jedem Fall erforderlich,
Schutz de s Fahrers vor umher fliegenden Teile n (Steine eIC.) durch zusätz liche Bcplun-
kung o. ä . erforderlich.
o
o Rahmen
Konst ruktion sprin zip design p rini cple. In einem idealen Gitterrohrrahmen übertragen
die Stäbe nur Zug/Druckkräft e. Damit ents pricht das dem Prinzip der direkten Lastleitung
und ist som it eine Maßnahme z ur Senku ng des Gewichts bei hohcr Steifigkeit. Tatsächlich
können die Stäbe auch Biege- und Torsions momente übertragen, weil sie in der Regel nicht
gelenkig. sondern an den Knoten starr miteinander verbunden werden. Eine Ann äherung an
den Idealzustand wird durch die gcz iclto Krafteinle itung erreicht. Kräfte dürfe n nur in den
Knote n eingeleite t werden. A n den Verbindungs knote n so lle n mi ndestens drei Stä be a ufei-
nunde rtreffen. das ergib t im Raum die steifste Strukt ur. Stäbe sollen nicht mit anderen zwi-
schen deren Anlcnkpunktcn verbunden werden (Biegung!). Man wird also bei m Gest alten
des Rahmens Dreieckstrukturen anstreben (Triangulierung) und Stäbe in Parallelogramm-
Anordnung verhindern. indem man (mi ndestens) eine Diagonalstrebe einz ieht. Bild 0 -1.
Eine weitere Möglichkeit z ur Erhöhung der Steifigkeit ist die Anbr i ngurig von Schuh-
fcldcr n: z. B. geklebte oder genietete AI-Bleche (Blcchstärkc 0,9 bis 1.2 rnm). Nietabsta nd
F
F
-
-
f-------;"
F
a
b
c
d
e
Bild 0 -1 Prinzip des Gitterrohrrahmens .
Alle St äbe sind in den Knoten ge lenkig mite ina nder verb unden.
a Ebene Dreiecks tru ktur is t ste if, weil Stäbe nur D ruc k- und Z ug kräf te übe rtragen.
b Ebenes Rechteck kann Kraft F überhaupt nicht aufne hmen, w eil es gelenkig ist. also n och einen
Freiheitsgrad aufweist.
c Du rch eine z u sätz lich e Strebe entstehen a us dem Rech tec k z we i D reiecke. Dadurch ist dieses nun
imst ande die Kraft F ins Gleichgewicht zu setzen.
d Die Vers t eifu ng e u ren Dreiecksbil dung kann auch a ußerhalb des Rechtecks erfolgen. z . B , w e il
innerhalb Komp onenten den Bauraum versperren.
e Ähn liche Situation wie d . nur dass inne rha lb des Rechtecks Raum für Triangu lierun g ist.
f Räumliche Triang ulierung eines Rech tec ks. Inne rhalb des Rechtecks ve rhindern Fahr zeugkompo-
ne nten eine Versteifung . Du rch mehre re D reiec k e auße rhalb d er Recht ec ke bene kann t rotzdem eine
Versteifung erzielt werden.
2 Bauarten
ca. 50 mm ; Sperrholz , Fase rplatte n (besonders a m Fahrzeug u nterbode n. wo Ko nta kt m it der
Fah rbahn mög lich ist). Platten aus Kunststoffla min at.
Als Beispiel für einen vollstä ndige n Rahmen zeigt Hild 0-2 de n Gitterrohr rah men eines
Einsitzers. Der Rah men verb indet d ie Au fhä ng ung de r Vorderräder sowie des Le n kgetr iebes
mit der Motore nbind ung u nd der vordere n Anbinde ng der Que rlenke r der Hinterachse. Die
übrige Rad aufh ängung der Hinterachse trägt das Getriebe. Außerdem si nd die Überrollst ruk-
turen (Bügel vorne auf Höhe Lenk rad und hinter dem Fahrer) in de n Rahmen integriert.
Baueleme nt e components. Gi tterroh r rahmen be ste hen in erste r Linie a us Stäbe n, a lso Ba u-
teilen. dere n Querschnitt klein gegenüber ihrer Länge ist. Die ersten Übe rlegungen z u de n
Stäben betreffen ihre Qu ersch nittsform. Für einen leichten Rahmen müssen die Flächen
der Qu ersch nitte fli r die gewünschte Stei figkeit und Festigkeit möglichst klein sei n. Ent-
sc heidend hierb ei ist die Verteil ung einzelner Flächenbereiche in der Q uerschnitt seben e.
Bild 0 -2
G itterrohrrahmen eines Mo n o -
pasta (Formel Ford).
Der Rahmen weist 57 Knoten
a uf. die d urc h 129 Stäbe mitein-
ander verb unden sind. Die Stäbe
sind Rohre mit Kreis - und Recht-
ec kq uersctuutt,
o
o Rahmen
Dazu kommt das die Beanspruchungsari (Biegung. Zug. Druck, ...) die ideale Verteilu ng
beeinflusst. Ziel ist es also. ei ne vorhande ne Fläche ruf die auftretenden Bea nspru ch ungen
möglichst günstig im Querschnitt anzuordnen.
Prinzipiell günstige Qucrsch mrtsfbrm cn für einzelne Beanspruchunge n zeigt Bild 0-3.
Für reine Zugk räftc ist der Stab mit Vollquerschnitt die günst igste Form . Bei rein en Druck-
kräfte n muss die Versagensart Knicken berücksichtigt werden. Deshalb ist fiirdiese Art der
Belastu ng vor allem bei gre nzlustiger Bea nspru chu ng de r Kreisringq ue rschnitt wesentlich
besser gee ignet. Soll ei n Element Torsionsmomen te weite rleiten. so ist der gesc hlosse ne
Roh rqu ersch nitt die erste Wahl.
'"'
Druc k
Torsion
Schub
,
.~
tI' I
'"
,f'
I'"
I
1
--j--
-
--i- -
-,j
./ '-
i./
a
Bil d 0-3
Günst ige Q uerschnitlsformen von sl abförmigen
Bauteilen in Abhängigkeit vom gefo rder ten Bautell-
verhalten ,
Bie gu ng
um horizontale Ac hse
Rechteck 2; 1
b
~,
•
••
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1
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~Rl/cllteck 5;1
,
,
a
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I
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___ L
__
I
'\. i./
•
•
a Zug/D ruc k, Torsion: Der
Vo llstab bzw. ein Sei l ist das
id eale Element für Zugkräfte .
Wegen de r Knickge fahr sind
Rohre für D ruck kräfte besser
geeignet.
b Biegun g: Die Quer sch nitt e
we isen alle denselben Flä-
cnernroen auf , Betrachtet man
Ste ifigkeit (I) und Festigkei t
(W), so ergeben sich Unter-
schiede i n de r Rangordnung,
nach [011].
Bicgcmorncntc komm en im ideale n Fachwerk zwar nicht vor, im realen Gitte rrohrrahmen
aber sehr \','Oh1. Deshalb ist auch die Biegu ng ein Kriterium bei der Wahl der Querschnitts-
formen von Stäbe n. Die Biegesteifigkeit ei nes Stabes ist abhängig vom Werkstoff und von
der Geomet rie seines Qu erschn itts:
Biegeste ifigkeit - E · I
E Elastizitäts modu l [N/mm 2]
I Flächenträgheits moment [mrrr']
Das axiale Flächenträgheitsmoment einer Fläche A bezogen auf die Biegeachse X berech net
sich zu:
tx=fy'd4
A
Ix Fläc henträgheitsmo me nt bezoge n auf Achse X [mm" ]
J' Absta nd von Achse X [mm ). siehe auch Bild 0 -4
IYlux
y
dA
Flächen -
s c hwer unkt
2 Bauar ten
Bild 0 -4
Zur Berechnung des Flächen-
moments eines Quersc hnitts mit
der Flä che A
Das Flächenmoment e rrechnet
sich a us dem Fläch enintegr al
über A, wobei d ie Biegeachse
durch den Flächensc hwe rpun kt
geht.
Mb Biegemoment um Achse X
o
Jc weiter also d ie Flächena nte ile eines Q uersc hnit ts von de r Biegeachse e ntfernt liege n.
desto steifer ist dieser Querschnitt.
Für die Festigkeit eines Q uersch nitts ist die größ te Beansp ruchung (Spannung) aus-
sch laggebe nd. von der im Extremfall ja das versage n ausgeht. Im Qucrschnitt ei nes Bie-
ges tabs ist der Be re ich ma ßgebend. de r den größte n Absta nd zu r Biegeachse aufweist . Der
Ken nwert für d ie Festigkeit folgt zu :
IVx axiales Widersta ndsmom e nt [nun']
Ymax Ra ndfaserabstand [rnm]. siehe auch Bild 0 -4
Besteht der Stab aus einem Werkstoff mit ausgeprägten Unterschieden in Zug- und Druck-
festigkeit. werde n bcidc Randfase rn (also +y und - y) betrachtet.
Betr achtet man nun einige Nor mquerschnitte hinsichtlich ihres Biegeverhalt ens. Bild
O~3b. so zeigt sich das hohe. schmale Rechteck als de r steifste Q uerschnitt vor dem I-Pro-
fil. das w iede rum die höchste Festigkeit bietet. Der Kreisq uerschni tt hat den praktischen
Vorteil. dass er keine .Vorz ugsrichtung' ' der Biegeachse hat. Wenn sich die Achse vo n Bie-
ge momente n im Betr ieb ä nde rt oder n icht erfassbar ist. ist der Kreisq ue rschni tt a n dieser
Stel le zu be vorz uge n. Bei diesem Vergleich weisen alle Querschnitte dens elbe n Fläche nin-
halt a uf. Stäbe mit diesen Querschnitt en sind - be i Einsatz dessel ben Mater ials - also alle
g leich sc hwe r.
Weitere Kr iter ien z ur Wahl eine s Stab que rschn itts ergeben sich a us der Fertig ung. Recht-
ec kprofile sind einfac her zuzusch neiden und zu ve rbinde n als Rundrohre. Sie biete n in Fol-
ge auch besse re Möglichkeiten Bcpla nkungcn oder versteifungsblec he anzun ieten. Nahtlos
gezogene (Form - )Rohre bieten zwar ei ne höhere Festigkeit. s ind abe r a uch tcu rcr als ihre
geschweißten Pendant s . Umgekehrt sind geschweißte ( Form- ) Rohre koste ngüns tiger bei
Festigkeitsnachteile n [oosj.
lm Sinne eine r optima len We rkstoffa us nutz ung sollte der Querschnitt ei nes Biegestab es
über seine r Länge nicht konstant sein. wenn sich das Biegemoment über de r Stablänge
ä nder t. Konifizic rtc Rohre weise n a n ihr en Enden eine größe re Wands tärke a uf als in de r
Mitte. Damit er leichtern sie das Schweißen und Löten und helfen gleichz eitig die Masse
gering z u halten.
Werkstoffe. Einige g rundlegende . physikalisc he Überleg unge n sind beim The ma Steifigke it
hilfreich. Die Steifigkeit. a lso de r verfor mungs widerstand eines Baute ils gege n Laste n. ist
o Rahme n
im linear-elastischen Bereich nur vom Elastizitäts modul E und Qucrschn utsabrncssungen.
wie Fläche oder Fl ächenträg h eitsmo me nte . ab hängig. A nge no mmen es so ll nu n die Steifig-
keit eines Stahlrahmens erhöht werden. ist der bloße Wechsel zu einem höherfesteren Stahl
zwec klos. weil er j a denselben E-M odul aufweist wie der Stahl mit geringere r Festigkeit.
Eine Verbesserung wird in diesem Fall durch eine Querschnittsvergrößerung oder durch
ein anderes Material erreicht. Ein höherfe ste re r Werk stoff verschiebt die Höhe der Last
nach oben. ab der eine plastische (bleibende) Verformu ng auftritt. Aus dem Grund wer-
den für Rennfahrzeuge. die eine lange Lebensdauer haben, hochwertige Stähle eingesetzt.
auch wenn sie tcurcr und schwieriger zu verarbeiten sind. Man muss dabeibedenken, dass
beispiels weise Prod ukt ionssp ortwagen von Hobbyfah rern über 20 Jahre im Ren neinsat z
gefahre n werden.
WirdStahldurch Aluminium ersetzt, um dasGewichtdes Rahmens zu reduzieren. müs-
sen - je nach Beanspruchungsart - Querschnittsgrößen. wie Fläche oder Flächcnmomcntc,
im Verhältn is der E-Moduk: E Slahl/EAluminium erhöht werde n.
Rcynolds 531 (Handclsbczcichnung für Mn-Mo-Stahl mit Rm
= 70() bis 850 N/mm2),
25CrMo4 (DIN EN 10(83), S355J2G3 (DIN EN 1(025), S275J2G3 (DIN EN 10025).
Wcgen ihres Verfor mungsvermögens bei hohcr Festigkeit werden in [015] auch {luscr-
geschweißte) austennisehe Stähle für Fahrzeug rahme n vorgeschlagen: X2CrNiN 18·7 und
X2CrNiMoN 22·5 ·3 (EN 1(088).
Aluminium-Knctlcgicrungcn, z. B .AIMg3 F23. AIMgSil F20.
Abmessungen dimensions. DimensionenfürStahlrohre. 0 13x0,9 bis 1.6 Olm Wandstärke.
026x0,9bis\,2 mm.GrößteRohrebis(2140x2.
Profilrohre werden etwa in den Dimensionen 20 x 20 x I Olmbis28 x 28 x 1,5 Olm ver-
bau t.
Verbindu nge n joints. Als Verbindungsmethoden für die stabförmigen Baueleme nte eines
Gitterrahmens bieten sich an:
Hartlö ten .
Kleben .
Schwe ißen.
Beim Ha rtlöten kommt Au ftrag slöten (filler hrtlzing ) und Muffenlö tu ng in Frage.
Kleben mit Muffen ermöglicht die Verbindung unterschiedlicher. nicht schweiß- bzw.
lötbarer Werkstoffe und erleichtert den Fügeprozess.
Schweiße n benötigt weniger Zeit al s Löten und ist ei nfacher automa tisierbar. Es kom -
men im Prinzip alle gängigen Verfahren (Elcktrodcnstablichtbogcns., Metall-Inert-Ga s
MIG. Wolfra m-Inert-Gas WIG. Gasschmclzs.) in Frage . Elektroden stabschweißen liefert
allerdings bei kleinen Wandstärken (etwa unter 2 Olm) kaum befriedigende Ergebnisse. Je
nach Werkstoff. Anzahl und Anordnung der Schweißnähte kann eine Wärmebehandlung
des Rahmen s erforderlich werde n um die Eigenspan nungen abzubauen. Schweißstellen sind
Schwachstellenin einer Konstruktion und sollendaherin weniger hoch beanspruchte Zonen
gelegt werden. Nahtanhäufunge n sollen vermieden werden . Bei Rippen ode r Knotenble chen
wird daher an der Stoßstelle zu anderen Nähten eine Aussparung angebracht. Du rch ent-
sp rechende Gest altung der Anschlussteile können Schweißnähte auch vorteilhaft verlängert
werden oder die Beanspruchu ngsart (z. B. von Zug aufSchub]verändert werden, Bild0-5.
2 Bauarten
o
Bil d 0-5
Günst ige Lage von Schwei ßnäh-
ten bei Rohrstößen favourable
weid seeme tor tube junclions.
a ROhrstoß mit Schwe ißnaht
unter Sch ub fishmouth joint
b Schlitznaht rosette.
Breite b ca. d/4,
rnm. Randabstand a - d/2
c Schräg-Stumpfstoß
diagonal butt weid
d V-Naht im Rohrbere ich eines
Übergangsstücks V weid joint
In zur Achsric htung de r Rohre schräg liegende n Schweißnähte n t ritt n icht nur keine rei-
ne Zugbeanspruchung auf, sonde rn die Schweißnaht ist auch länger als de r Rohrum fang
(a, c j. Schlitzschweiß ungen (b ) können auch mit a nderen Schweißn ähten kombiniert wer-
den. Empfehlungen zu Abmessungen sind im Bild angegebe n. Bei Querschnitts übergängen
kann d ie Schwe ißverbi ndung du rch Anpassen des Anschl usses im Roh rbe reich mit gleich
bleibendem Durc hmesse r sowie Wa ndstär ke bleibe n (1.1) und so wird d ie Lage im hoch be-
a nspruc hten Überga ngsbere ich ver mieden.
Bil d 0-6
Vorbereitung von ROhrenden vor dem
Fügen.
a Fräsen des Anschlussroh res m it
Walzfräser
b Zwei ebene Schnitte an Rohren mit
gleiChem Du rchmesser
o Rahmen
Vor dem Schweißen oder Löten müssen die Rührenden bearbeitet werden. Bei Kreisroh ren
bietet sich das Abfräscn eines Endes mit einem Walzen fräse r passe nde n Durchmessers an.
Bild 0-6a. Bei Rohrstößen von Rohren mit gleichem Durchmesser kan n die Vorbereitung
exa kt mit je zwei ebe nen Schnitten erfolgen, Bild 0-6b.
Aber auch beim Anschließen von schlankeren Rohren an ein dickeres ka nn die Schwe iß-
vorbereit ung der Enden durch einfache ebene Schnitte erfolgen. Bild 0 -7.
Mit ebe nen Schnitten von Rührenden können auch zwei Stäbe zu eine m Knoten zus am-
meng efü h rt wer den, Bild 0-8-
Komplexe Schnittkurven lassen sich auch - CAD-Datcn des Rahmens vorausgesetzt -
üb er einen Luserschneider um Rüh re nde erze ugen .
Bei runden Querschnitten kann das Ende vor dem Schweißen zweiseitig abgeflacht wer-
den. Bild 0-9. Das erspa rt ei ne mechan ische Bearbeitu ng und verbreitert nebenb ei die
Fügezone in einer Richtung über den ursprünglichen Durchmesser hinaus.
Müssen Stäbe axial so verbunden werden. dass die Verbindung wiede r lösbar ist. können
Met hod e n w ie in Bild 0-10 dargestellt eingesetz t we rde n.
Die Kopfplanenverbindung (a) kann an einem Gehrungsschnitt ebenso wie an einem
geraden Stoß eingesetzt werden. Die beiden Kopfplan en werden miteina nder verschraubt.
c
S
2sennttte
3Schnitte
Bil d 0 -7 Ebene Schni tte für Fünstäoe, nach [004].
Die Vorbe reitung zum Fügen des Füllstabs besteht aus zwei bzw. drei ebenen Schnitten.
a , und ((z Hilfswinke l zur Be rechn ung der Schnittwinkel ß, und ßz
(
h·< ;ne
)
al =aretun
r+h·cosei- C 'sine
h'sine
)
h:cosei C •sine
«: = arctan(- -.,. --,--,,,,,-,,--
.,--.,,-
r
a 2 = arctan (_ chc· c<c;ncec".." .)
I' h'cos e
2 Bauarten
Bild 0 -8
Knoten vor dem Zusammensch weißen.
Die Strebenenden sind m it zwei ebenen Schnitten gefer tigt
worden. Zwi sch en den beiden Streben kann auch ein Verstär-
kungsblech eingesetzt werden.
o
r--1
+w+
l'J
I
I
Bild 0 -9
Rohrende teilweise abgef lacht.
Eine Verbindung mit geringe r
sparender Vorarbeit.
b
d
c
Bild 0 - 10 Lösbare axiale Verbindungen von Stäben .
a Kopfplattenverbindung
c Schraub verbindung
b Verbindung mit Blechstreiten
d Gew indeeinsatz für hohe Beanspruchung
o Rahmen
Abstü tz ungcn von Übe rrollbügel n, Motorbefestig unge n. Fahr werks teile und a ndere Ele-
mente können so angeo rd net sein. dass sie entfernbar und mitunter auch im Winkel ei nstell -
bar sein müsse n. Für solche Streben sind Gabeln am Ende vorteil haft. Einige Möglic hkeiten
gabelför mige Ende n a n Profilrohren anz ubringe n si nd in Bild 0 - 11 dargeste llt.
Für klei nere Ab mess unge n ka nn ein Einschweiß e nde (a) eingesetzt we rde n. Dieses
Gabelende wird an das Hehlprofilende a ngeschwei ßt. Für größere Lasten soll die Schw ei ß-
naht wie in Bild O- Ild angeo rd net werden. Die Verbind ung zw ischen Gabel und Rohr kann
z usä tz lich mit Blechstreifen ve rstärkt werde n. Bild O -Ilc.
Eine Rohrk1cmmc biete t eine weitere Ve rstellm öglichkeit indem sie entlang des Rohres ver-
schobe n wird. Bild 0-12.
We rde n Lasc he n am Ende eines Rohres benöt igt, e twa für ei nsch nittige Verschrau bunge n
od er zur Aufnahme einer G abel, können diese auf untersc hiedliche A rt gestaltet werde n.
Bild 0-13 zeigt eine Auswa hl von Verbindu nge n. Aus zwe i Bleche n kann ei n Y-förmigcs
Stück geboge n und geschwe ißt werden, das an das pass end z ugeschnittene Profilroh r ange -
schweißt wird (a) . Die Schwe ißnähte werden so günstiger bea nspruc ht als bei m stumpfen
e
Bil d 0 -11 Gabe lenden an Streben ,
a Ei nsc hweißende boss type tube end
b zwei Laschen (WO raos
c Blechwinkel an gle
d Blec hstreifen u-förmig gebogen u shaped soeer
e breite Gabel mit verst ärkunqsblecben
wae yo lee with reinforcement
768 1
2 Bauarten
o
Bild 0-12
Rohrklemme
fubular csemo.
a
f
,
b
c
Bild 0 -13
Ausw ahl v on Roh renden mit
einfache r Lasche .
a V-Stüc k, bestehend aus zwei
Blechen
b ebene Blechlasche in Schlitz
c Rohr zu einer Seite hin umge-
formt
Anschweiße n ei nes T-Stücks . Ein ebenes Blech kann auch in ei nen ents prechenden Schlitz
ein es Rohres eingeschweißt werden (b). Durch Umformen ei nes Rohres ergibt s ich ei ne wei-
tere Möglichkeit eine einfache Lasche darzustellen. Die Lasche kann dabei zu einer Seite
hin gepresst werden (c) oder auch mittig zur Rohrachse geformt werden.
Weitere Sch raubve rbindungen mit Enden von Stäben, Bild 0 -14. Eine Schraubtasse (a)
am Ende eines Rohres bietet eine einfache Möglichkeit. das Rohr in einem nahezu beliebigen
Winkel zur Schraubachse anzustellen. Zur Verschraubung können Innensechskaut- oder
Sechskautschrauben benutzt werden. Bei Letzteren muss der Innendurchmesser der Tass e
natürlich so groß sein. dass die Stecknuss für das Anziehen der Schraube hineinpasst.
Weitere Verbindu ngsmög lichkeite n von Rohren werden auch von der FIA für den Bau
von Überr ollkäfigen vorgeschriebe n. s iehe auch Kapitel C 3 Siche rheit .
Gemäß der Gr undidee eines steifen Ginerrohrrahmens werden meist mehr als zwei Rohre
in einem Knoten zusammen geführt werden. Wichtig dabei ist, dass sich die Mittelli nien
aller Streben auf der Mittellinie des Hauptrohres treffen. Bild 0 -15.
o Rahmen
c
b
Bild 0 -14 Auswahl von Rohrenden m it Hülse,
a Roh rende mi t Schraubtasse
b Ende eines Ellipsenprofils
c Ende ein es Tragfläch enprofils
Bild 0-1 5
Rahmen knoten allgemein .
1 Hauptrohr
2 Gemeinsamer Schnittpunkt
aller Mittel linien
Ro hrböge n elbaw joints . W ird ein Rahmen st reng nac h de m Fachwerk- Prinzip a u fgebaut.
kommen keine Biegu ngen in den Rohren vor, sie sind alle gerade. Eine Bieg ung g ibt ja eine
bevorzugte Ausk nick richt ung einer St rebe vor und das ist unbed ingt zu ve r meide n. Trotz-
dem werde n Biegungen eingesetzt und zwa r dan n. wenn das Rohr eine bekannte Bolas-
tu ngsrichtung aufweist und wenn das Rohr eine Richtu ngs änderung in einem Stück abde-
cken muss. Beibeka nnter Belastungs richtung wird die Biegu ng de r Last entgegen gerichte t
un d damit die Tragfähigkeit des Rohres sogar erhöht. Überrollbügel müssen bei de n meisten
Rennklassen aus einem Stück bestehen. Injedem Fall ist es ratsam den Biegeradius nicht zu
klein zu wählen, denn sonst wird der Rohrquerschnitt zu stark ovalisicrt und in der Zugzone
die Festigkeitsg renze des Rohrwerkstoffs überschritten. Ein weiterer Punkt der die Festig-
keit betrifft ergibt sich dadurch , dass durch den Umfor mvorgang die Wanddicke um bis zu
20 % abnehmen kann [021}. Tabelle 0-1 können Anhaltswerte für Mi mlest-Biegeradie n
entnom men werde n.
770 I
2 Bauarten
Tab . 0 -1 Kleinste zulässige Biegeradien für R ohre. nach OIN 5508 Begrif fe siehe Bild 0-16
Rohre aus unleg. Baustahl ,
Rohre aus Atuminium-Knetlegierungen,
z , B. S235JRG1
z. B. AIMg3 F23, AIMgSi1 F20
d[mm]
t ::: [mm]
Rmin [mm]
d[mm]
t ::: [mm]
Rmin [mm]
>10.2-13.5
32
>10-1 2
40
>13,5-16
1,5
40
>12-14
50
>16-19
1,5
45
>14-18
63
>19-21,3
2
56
>18-22
1,5
80
>21.3-25
2
63
>22-25
1,5
100
>25-26.9
2
70
>25-32
2
110
>26,9-31.8
2
80
>32-40
2
140
>31.8-38
2
100
>40-50
2,5
200
>38-42,4
2
110
>50-60
3
200
>42,4-51
2,5
125
>60-70
3,5
250
Die Werte gelten für das Kaltbieg en mit Biegevorrichtung ohne Stützdorn od er von Hand.
o
~I
a ====~
Bild 0 -16
Roh rbiegung.
a Angaben zu Tabelle 0-1
b Rohrq uersch nitt im Bogen mit
starker Ovaäsierunq. w ie sie
zu verme iden ist, z. B , durch
Rohrfüllung ode r Stützdom
Ver s te i fu nge n stiffener. Verste ifunge n helfe n die Biegebca nsp r uchung von Rahmenrohren.
wie sie durch steife Knoten entstehen. z u vermindern bzw. sie erhöhen die Steifigkeit eines
Knotens . Dic Durc hbicgu ng eines einseit ig eingesp ann ten Stabes wächs t ja mit der d ritt en
Potenz seiner Länge, Bild 0 -l7a. Reduziert man seine freie Länge durc h eine Versteifung.
z. B. auf die Hälfte, so verr ingert sich dadurch seine Biegung auf ein Achtel. seine Stei-
figkeit hat somit auf das Achtfache zugenommen. Dadurch können auch kleinere Verstei-
fu ngen die Steifig keit eines Rahmens messbar erhöhe n. Bei Stä be n, die nur auf Zug oder
Druck beansprucht werde n. erhöht s ich zwar d ie Steifig keit des Rohre s nich t. abe r deren
Knicklänge wird durch d ie Versteifung redu ziert . Bei sehr hohen Belastungen stellt dies
einen Vorteil für den Rahmcn dar. weil er dadu rch erst später versagt.
Verste ifunge n werden aber a uch gebra ucht um Befestigu ngsaugen an einem Rahmcn
da rzus tellen .
1771
o Rahmen
F
a
/
F
rI
I
Bild 0 -17
Versteifung an eine r Botiranbin -
dung.
a W irkp rinzip einer Versteif ung:
links ohne, rech ts mit Verstei-
fung .
b Rund gefalztes Versteifungs-
blech an einer Roh ranbm-
dung. Das Blech n immt in
seiner Wir khöhe kont inuie rlich
zu und vermeidet so einen
Steifigke itssprung im Rah-
menrotir;
Versteifungen können aus 81cchplatt cn bestehen. d ie auf die zu verbindenden Rohre im
Stoßbereich geschweißt werden . Durch eine entsprechende Gestaltung der Bleche können
Stcifigkcitssp rü ngc im Rahmen verm ieden werde n, Rild O -IH.
Bei einer Roh renbindu ng sind gefalzte Knotenbleche (gusset) , die die Rohre in der Nähe
ihrer neut ralen Fase r berühren. wes entlich besser als ein einfaches Knote nblech. da s wie
e ine Ver ste ifungsripp e zw ische n di e Rohr e geschwe ißt Wird. Bild 0-19.
Versteifu ngsrippen TUr einen Rohrb ogen sollen nicht im Bogen. sondern außen a n der
neutralen Faser des Rohre s angeschweißt werden. Bild 0 -20. Im ersten Fall (a) ergibt sich
eine Spannungse rhöhung a rn Überga ng vom Roh r a ufdas Verste ifungsblech. Dieser Bereich
am Innenbogen ist ohnedies stä rker beanspru cht als die Wand im Bereich der neut ralen
Faser. Außerde m können Bleche einreiß en oder beulen. wen n sie z u hoch und dünn sind.
Bild 0 -18
Kno tenb lech zur Rahmenversteif ung an einem
Motorradr ahmen.
Das Kn ot en bl ec h ve rsteift d ie Anbmd unq de r Rahmenrohre an
den Lenk kopf d er die beiden Gabe llag er a ufnimmt. Zur Ver-
meidung von Steifigkeitssprüng en weist das Versteifung sblech
e inen kontinu ierlichen Übergang zu den Ro h ren h in auf .
nfcht. ae -
s~w ei8t
I",---l..~"-,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,'<-----,~
2 Bauarten
Bild 0-19
Gefalztes K n ot en -
blech einer Rohrver-
bin dung, nach [014].
Oie Schweißnaht so ll
zur Vermeidung von
Spa nnungskonzen-
trationen nich t um
das Rohr geführt
we rden.
o
Wird eine Versteifu ng entla ng der neutrale n Faser geschweißt (b). ist de r Spann ungsverlau f
im Rohr wese ntlich gleichmä ßiger. Das Blech soll in seiner Höhe ansteige nd zu nehmen ,
damit der Ste ifigkeits verlauf der Schweißkonst rukti on keine n Spr ung au fweist. Damit auch
die beiden Enden g ut ges chweißt werden können. muss allerdin gs ein spitzes Auslauten der
Blechkon tur unbedingt vermieden werden.
Treffen mehrere Rohre in eine m Knoten aufeinan der. kann über alle Roh re ein gemei n-
sames Verstärk ungsb lech gelegt werden. Bild 0-21.
Bild 0-20
An ord n un g von Verstärkun gsblechen an einem
Rohrbogen .
a Blech, das di rekt in den Bogen geschweißt
is t. e rzeugt Sp ann ungssp itzen (Pfe ile) am
Übe rgang
b Günstig angeb rachtes Verste ifungsblech
Das B lech i st an der neutralen Faser der Bie-
gung angeschweißt.
Bild 0-21
Gemeinsames Ver-
stärkungsblech an
e inem gehrknoten.
Z ur Vermeidung von
Steif igkeitssprüngen
in den einzelnen
Rohren ver lau fen die
Ble chenden f inger-
fÖrmig.
1773
o Rahmen
Sollen Rohre in eine m größeren Abstand von der Zusa mmenführung versteift werden, kön-
ne n Füllstübe ei ngezogen werde n, Rild 0 -22.
Verstä rk ungen kön nen a uch inn e rhalb eines d ün nwandigen Hauptroh res an geb ra cht we r-
den. an das Rohre mit wesentlich geringerem Durchmesser angeschweißt werden. Ein Quer-
rohr. d as in eine e ntspre che nde Bohru ng des Hau pt roh res geschweißt wird, verhi nde rt eine
Ova lverfo rm ung des Hauptrohres du rch die Längskräfte der beiden Stre ben, Bild 0 -23.
An rechtwinkligen Rohrstößen mit ausgeprägter Zugbea nsp ruchung kann z usätz lich ein
Blechband als Verstärkung angeb racht werden, damit die Schweißnah t entlastet wird , Bild
0-24.
_.y~._._._.m;~.__
a
t
o Bild 0-22
Versteifung mit einem Füllstab .
Bild 0-23
Rohrstoß zweier dü nner Roh re
auf ein im Durchmes ser grö-
ßeres,
a Du rch Einfü gen eines Quer-
rohres wird die ört liche Be-
anspr uch ung des dünn wan-
digen Hauptroh res red uziert.
c onne Quer rohr wird das
Hauptro hr oval.
"d
c-- ,
._._~ Bild 0 ·24
Verstärk ung mit Blechband an
einem Rohrstoß.
Die Länge des B lechband s richtet
sich grob nac h d em Durchmes-
ser des anzubringenden Rohrs.
a
-~
o
)//1111111111)//111111111111111)//11
-
ffi
2 Bauar ten
o
b
-~
Bild 0 -25 Anbring ung einer Befestigungslasche an einem geraden Rohr.
Das Blech soll an de r neutralen Faser der Biegung angeschweißt werden.
a Günstige Anordnung mit zwei Laschen an der neutralen Faser des Rohres
b Ungü nstig a ngebrachte Lasche
Befestigungslasc hen. wie sie für Streben. Fah rwerksteile . Wärmeta uscher usw. be nötigt
wer de n. müs sen a uf d ieselbe A rt wie Versteifungs ripp en an den Rohren ange b racht werden.
damit keine Kerben und somit Schachstelle n im Rahmen rohr entstehen. Bild 0 -25.
Obcrü ächcnbchandtung [0 14J surfacefinish, Der Rah me n be nötigt eine Oberfläch enbe -
handl ung als Korrosio nsschutz und z ur optischen Au fwert ung . Dazu gibt es meh rere Ver-
fahren.
Oatvant steren galvanising. Obwohl diese Technik ei n att ra kti ves Finish ve rsp richt, muss
man für erstklassige Qualität mit hohem Kostenau fwa nd rechne n. Zudem hebt dieses Ver-
fah ren opt ische Schönheitsfehler w ie kl umpige Schw ei ßnähte und Kratz er noch auffä lliger
hervor .
Manchmal werde n Säure reste aus dem galvanischen Bad in den Rohre n eingeschlosse n
-
en twe de r durch nicht völlig versc hwe ißte Stoßstellen ode r wenn keine Entlü ftungs löcher
vorgesehen w urde n. Solche Entlüftu ngsöffnunge n könn en wiederu m Spa nnungsko nze ntra -
tionen und so mit vorzeitige Ermüdungsbrüche verursachen . Eingesc hlosse ne Säurerück-
stände erzeugen event uell Korrosion von innen her und können a n de n Schweißnähten
durchsicke rn ; d ie Folge sind Roststelle n und hässlic he Flecken .
Versp rödu ng d urch Wasserstoffeinwirku ng ist ei ne weitere Gefahr beim Ga lvan isiere n.
Bei de r Beha ndlu ng im Bad wi rd Wasse rstoff ausgeschiede n. der in d as Oberflächengefüge
des Stahls eind ringt und Mate rialfehler verursac hen ka nn. In dieser Hinsicht ist Vernickeln
dem Verch rome n vorz uziehen . In viele n Re n n formel n d ür fen beispielsweise die Teile der
Radaufhängu ng nicht (mehr) verchro mt werde n.
Trotz der besc hriebe nen Nachteile muss gesagt werde n. dass Motorradfah rwe rke ja hre -
lang vernickelt verk auft wurde n, allem A nschein nach ohne Probleme.
1775
o Rahmen
Leckteren puinting. Laufend erscheine n neue Lacksorten aufdem Markt, daher sollte man
sich immer an die Verarbeitungsvo rschriften der Hersteller halten . Nitrolacke mögen für
Tanks und andere Anbauteile gut genug sein; den Ansprüchen an eine Rahmcnlackicru ng
können siejedoch nicht genügen. Dort erzieh das traditionelle Einbrennlackieren das bes-
te Allrou nd-Finish. Die mod ern e re n elek trostatisc hen Spritzverfahre n mit Epoxidp ulver
haben zwa r ihre Anhänge r gefu nde n; diese Lackicrung ist abe r - obschon widcrstan dsfähi-
ger gegen Beschädigung - auch schwe rer auszu besse rn.
Ku nststoffbeschichten ptastic coating. Dieses fü r Rahm e n relat iv neu e Verfa hre n ergi bt
eine hervorragende Oberflächenqualität. wenn es zu r Erstlackicrung eingesetzt wird. Es
überdeckt Schönheitsfehler. ist abe r auflange Sicht unpraktischer. den n Kratzer lassen sich
nicht so leicht herauspolieren und ausbessern wie aus Lackoberflächen. Darüber hinaus
kann durch Beschädigungen. die bis zum Metall reichen, Feuchtigkeit großflächig vordrin-
ge n und g roße Rostst ellen bzw. Blasenbild ung erzeuge n. Bei Lackoberflachen bleibt Korro-
sion aufdi e Schadstelle begrenzt und ist leicht reparabel.
E losieren anodising. Obsc ho n man che Aluminiumlegi e r u ngen zie m lich kor ros io nsbestä n-
dig sind. führt das Streusalz im Winter zu sichtbarem korrosivem Angriff(weißer Belag).
Eloxieren ist ein schütze ndes Verfahren, mit dem du rch Eintauchen in ein Säurebad ein zäher
Oxidfilm auf de r Werkstückob erfläche erzeugt wird. Diese Ox idschicht kann soga r ci ngc -
färbt werden - grau. gold. rot, blau oder schwarz - und trägt damit nicht nur zum Korrosi-
onssc hutz, sondern auch zu attraktive rem Aussehen bei. Manche Legierungen profitieren von
diesem Ver fahren mehr als a ndere ; gewa lztes Mate rial spricht besse r darauf an als Guss.
Abschließend zum Gitterrohrrahmen ein ausgeführtes Beispiel für einen Produktionssport-
wagen, ßild0 -26.
Bild 0 -26 Güterrohrrahmen für einen Prod uklionssportwagen.
Der Rahmen ist von schräg oben zuseh en. Der Motorbe reich ist rechts.
2 Bauarten
2.2 Kasten rahmen Sheet metal monocoq ue
Konstrukthmsprtnzip design principle. Der Rahmen besteht aus kastcnförmigcn, hohlen
Gebilde n aus dünn en Blechen und/oder Platte n sowie massiven Einzelholmen oder Span-
ten . Die Wände übertragen dabei sä mtliche Kräfte über ZugID ruck und Schub. Vortei lhaft
s ind Platten mit Sandwich-Aufbau. Diese sind bei relativ geringem Gewicht imsta nde auch
Biegemomente zu übertragen. Im Gege nsatz zum Gincrrohrrahmcn sind somit teilweise
(ein mal von ästhetischen und aero dy namischen Forde ru ngen abgesehen) keine zusätzlichen
Verkleidungen mehr erforde rlich. Zur Einleitung konzent rierter Einzelkräfte we rde n Ve r-
stärku ngen und Holme her angezogen.
Vort ei le advan tages :
Verkörperung de s Leichtba upri nzips. näm lich nur Zug- und Druckkrä fte in den Buutci-
lcn und groß er Abstand zw ischen de n Rundfasern.
Verkörp er ung des Leichtbauprinz ips, das s jedes Teil mehrere Funktionen erfüllt: die
Auße nhaut ist mittr age nd.
keine oder zu mindest teilweise keine Auße nha ut erforde rlich,
C ras heleme nte leicht reali sierbar und ru nd um (vorne. hinten , seitl ich) leicht intcgri c rba r.
Na cht eile ätsadvontages:
hohe r Fertig ungsa ufwa nd.
Einleitung von Punktlaste n problematisch.
Zugang z u innen liegenden Teilen schwie rig.
o
2
Bild 0-27
Prinzip eines Kastenrahmens.
Der Rahmen bes teht aus kasterar-
tiqen . dün nwand igen Gebilden .
1 einzelner Kast e n
2 Scho ttwand
3 Quers pant
Ein Beispiel für einen Kastenr ah men aus Blechteilen zeigt Bild 0 -28. Das Fahrze ug aus der
1100 cm-- Klassc der britische n Berg meisterschaft besteht aus einem Rumpf an den vorne
ein weiterer Kasten. der Bug. angeschraubt ist. Am hinteren Ende des Rumpfes wird der
Motor bzw ein Hilfsrahme n z ur Entlastu ng des Motors angeschraubt. Der Rumpf besteht
aus mehreren 0.7 mm Aluminium- Blechen. d ie entsprechend abgekantet werde n. Die Bleche
werden vernietet. 20 x 2 mm Rechteckprofile aus Stahl bilden die Querspanten. die den
Rumpf vorne und h inten abschließen [0 20].
o Rahmen
..-----
-
Bild 0-28
Kastenrahmen eines Einsitzers
(Monopin, 1100 cm 3-Klasse der
britischen B erq re nn rneist e r-
schall).
Oben: Rahmen vollständig
Unten: Einzelte ile des Rumpfes
,
Que rspant vo rn e
2 Bjechausto rrnunq unte r Fah-
rerknie
3 Schotlwand zu Mot o r -
Rückenlehne
4 Que rspant hin ten
5 Cockpitwanne mit Seitenteil
rechts
6 senenteuunks
Der Rahmen bes teh t aus g elal z-
ten Blechteilen. die zusammen-
gen ietet sind. Querspan ten aus
Profürehren nehmen Fah rwerks-
teile und den Motor auf.
Sa ndwich planen sandwich panels. Du rc h die g ünst ige Ko mbi nat ion von leichten u nd
festen Werkstoffen entstehen so gen annte Sa ndwich-Strukturell in Verbu ndbauweise . Sa nd-
wic hplatte n we isen ei ne hohe Biegesteifigkeit bei geringe m Gewicht au f. Die d ü n nen . festen
Deckplatten übertragen Zug- bzw, Druckk räft e. wäh rend der leichte Kern Schubkräfte au f-
nimmt und für eine n großen Abstand de r beiden Deckplatten sorg t. da mit das Flächenträg-
heitsmoment groß ist. Die Deckhäute und de r Kern werden miteinander verklebt. Die Deck-
schichten können aus Srahl- , Alumin ium- oder faserverstärkten Kunststoff-Platten beste-
hen. während der Kern homogen oder strukturiert sein kann. Dichte Schäume ode r Papier
liefern hom oge ne Kern e. Le icht met allfolien oder Ara mid-Fasc rpupic r werden in wa bcn-.
Rohr-, Wellen- oder Rechteckform gebracht und als strukturierte Kern schicht zw ischen die
Deckhäute geklebt. Allgemein kann festgehalten werde n. dass die struk turierten Kerne was
d ie Platten fest igkeit betri fft den hom oge ne n überlegen sind.
Aus der Hauptbea nsp ruchu ng der Platten folgen ih re maßgeblichen Vers age nsarte n. Wird
die Druckkraft ode r das Biegemoment zu groß. knickt die Platte als Ga nzes oder es kommt
z um örtlichen Versagen einer bzw. beider Deckschichten - d iese beulen oder k nittern .
Damit es nicht zum Versagen von Sandwic hplatten kommt, ist bei de r Konstrukt ion ei nes
Rah mens mit solche n Paneelen darauf achten. dass
Kräft e mög lichst großflächig u nd in bcidc Deckplat te n ei ngeleit et we rde n,
der Wabenkcrn geschützt wird, d. h, nicht konzentriert beanspru cht wird.
778 1
2 Bauarten
o
:111111(:~r
t.
Bil d 0-29
Paneel m it Alum inium-Wabenkem (honeycomb-
cotea pane l ),
Die Deckp latten haben eine typische Stärke t, brw.
t2 von 0.6 bis 1,5 rnm . Die Paneeldicke p liegt zwi-
schen 6 und 25 mm
Weiteres Augenmerk wegen des besonderen Aufb aus der Sandwichplatten verdienen die
Kanten. Eckanbindungen und Minenstöße. ebenso wie die Verbindung mit Streben am
Rand und in der Mitte von Platten.
Bei de r G estaltung der Paneelk anten ist ebenfalls der Leitgeda nke hilfr eich, bcidc Deck-
lagen mitein ander zu verbinden, Bild 0-30.
Ausgehend von kraft llussgerechten Kante nabschlüssen lassen sich geeignete For men
von Kanten für die Verbindung mit Profilrohren o. ä. finden. Bild 0-31.
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Bild 0-30 Kantensch utz bei Paneelen.
a Deckp latte auf Maß umpekantet
b Kantenversc hluss mit gek lebtem u-Prcm Der Paneelrand kann zusätz lich vor dem Aufb ringen des
Profils mit Kleb stoff gefüllt werden
c Randbe reich verpresst . Nur für Paneele bis 10 mm Dicke und AI-Wabenkem . Der Rand kann auch
für Schra ub - oder Ni et verbindu ng herangezogen werden .
d Profilroh r eingek lebt. Dieses Roh r kann auch für Schraub - ode r Nietverbindung herangezogen we r-
den .
e Dünnwa ndiges Profilrohr schaumgefüllt
f Absch lussleiste ange klebt
o Rahmen
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Bild 0 -3 1 Eckanschl üsse von Sand wichplatten zur Lagerung und Verblendung, nach [012].
Müssen inner halb von Platte n Streben ode r Stützen angebrac ht werden oder müssen Platten
m it Que rspante n ve rbunden werden. kön nen Vorschläge wie in Bild 0 -32 herangez ogen
werd en.
Werde n Sa ndwichpla tten ve rlä nge rt oder Teilstücke repariert , mü sse n Mitt e nstöße reali -
siert werden. Bild 0 -33 zeigt einige Beispiele.
Damit a us ebenen Sandw ichplatte n ei n räu m licher Kaste nra hmen e nts teht, müss en Plat-
ten in einem Winkel z usammengeführt werden. Es gibt hicfilr einige Möglichkeiten mit
Berücksichtigung des Gedankens bcidc Decklagen zu verbinden. Die Bilder 0 -34 bis 0 -36
geben einige An regungen.
Für Strukturverbindungen komme n nicht alle Blindnietformen in Frage. sondern es sol-
len bevorzugt jene eingesetzt werden. die den Dorn beim Setzen behalten. Bild 0·35.
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'b
.
I
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umilU]]Bild0-32
Mittenanschlüsse von Sero -
wichplatten zum Anbringen von
Streben oder Stützen und zum
Verbinden mit Schot twänden .
nach 1012].
Gezeigt sind einige Anregungen
für Krafte inleitung inne rhalb von
ctattennäcren . Die Dec klagen
werden mite inander verb unden
und äußere Kr äft e werden vom
Kern weitgehend lerngehalten.
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2 Bauarten
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Bild 0-33
Mittenstöße von
seocwcrcieneo.
nacn [012J.
Diese Stöße können
auch für Reparat ur-
zwecke he rangezo-
gen we rden.
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11I 11
Bil d 0-34 Eckstöße von Sandwichplat ten mit Strancpressprcfüen. nach [0 12].
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\
/
Bild 0 ·35
Eckstoß zweie r Pa neele mittels
zweier W inkel-Profile. die durch
Kleben und Nieten mit den
Deckp latten verbunden werden.
Blindniete für den Einsatz von tra-
genden Struktu ren müssen den
Spreitzdom nach dem Setzen
des Niets behalten. Im betanaus -
schnitt ist ein Niet m it Rändel ung
(Pfeil) am Dorn gezeigt. der d urch
das Setzen axia l im Niet fixiert
wird. Eine weitere geeignete Bau-
form ist ein Bl indniet mit Lang-
b ruchdorn (Avdel -Blindniet).
o Rahmen
,
2
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L_____
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1II
"-.!
Bild 0 -36
Abkanten eines Paneels.
a Zustand vor dem Abkanten:
Ein Streife n d er oberen Deck -
lag e wu rde entfernt
b Platte abgekantet
1 Füllmass e
2 Innere Deckplatte. aus de r
vo rher ei n St reifen herausge-
schnitten wurde
An der Innenseite kann bei hoher
Beansp r uchung ein Winkelprof il
(st ri ch lie rt) aufgeklebt we rden .
Pa neele. deren Deckl age n aus Me tall bestehen können auc h elega nt au f beliebige Winkel
abgekantet werden . Bild 0-36 . Vor dem Abkanten muss von der inneren Deckschicht ein
Streifen e ntfernt " .. erde n. Die Breite d ieses Streifens entspric ht gcn au der Bogenlänge de r
gegenü berliege nden Decksc hicht. wenn der Innenradi us 0 ist und sie ist so mit:
hStr<:ifcn Breite des Streife ns. der entfernt wird [m mJ
ß
Abkantwi nkcl [" ]
p
Platt endi cke [m m]
Sch ra ubve r btnd u nge n screwing. Manchc Verbindunge n eines Rahmens müsse n ei nfach
lösbar sein. beispiel sweise damit man bei Reparatur und Wartu ng zu innenliegenden Teilen
gela ngt. In solche n Fällen kommen Versch raubu ngen zum Einsatz. Das Proble rn bei de r
Gesta ltung von Schraubver bind ungen ist w ie imm er bei Sandwichstru ktu ren . da ss die ör tli-
chen Kräfte möglichst verteilt wirke n sollen und dass sie in bcidc Deckschichten eingeleitet
werden müssen. Auch de r Entlastung des Kerns muss Augen mc rk gesc henkt werden. In
Bild 0 -37 sind einige Möglichkeiten da rgestellt. Es sind nicht alle gleichwertig. 1m Gegen -
teil: Die Varia nten a und b sind nur für mittlere Beanspruchungen geeignet. Müssen große
Kräfte übcr t rage n werde n, muss d ie a rbeitsa ufw ändigere Varia nte e he ra ngezogen werde n.
Bei dieser wird zunächst der Kcrn bzw. die Kernstru ktur mit einem einfachen Werkzeug
(Bildteil d] entfe rnt und a nschließe nd aushä rtende Kern m ass e in dies en Hohl raum ci nge-
bracht. Nach de m Aushärten kann das eige ntlic he Schra ubdurc hgangsloch gebohrt werde n.
Für die direkte Verschr aubung von Elementen in nerhalb einer Platte nfläch e bieten sich Ein-
sätze ( Inserts ) an. Bild 0-38 . Solche Einsätze werde n mit und ohne Gewinde a usgefü hrt.
Auch Sacklochgewinde können somit darg es tellt werden. Diese A rt der Versch raubung ist
für mittlere bis hohe Bea nsp ruchung geeig net.
Lösbare Abdeck urigen und Verkleidungs teile können über Las che n und Wi nkelp rofile mit
vorha ndenen Strukt uren verschraubt werden . Dabei bieten sich Einniet mutte rn an , die in
der Ar t eines Blindniets gesetzt werden. d. h. der Zugang von einer Seite reicht vollkommen
aus.
2 Bauarten
o
Bild0-37
SChraubverbindungeo bei
Paneelen.
e scoreoce (1) mit großer
SCheibe (2) (Karosserie~
scheibe). Anzugsmome nt
dur c h Panee ldruck f estigkeit
begr enz t
b Sch raube m it Hülse (3).
Länge der Hülse - Paneel-
dicke - 0.2 mm
c SChraube mit Kernfüllmasse
(4(
d Wer1I:zeug (5) zum Entfernen
des Kerns.
a und b tUr mittlere Beanspru-
chung. C für hohe Beanspru-
chung
5
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Bild 0 -38
Schraubverbind ung en bei Panee len mit In sert s,
a du rchgehender Einsatz
b geschlossener Einsatz
1 lnserlklebstolf
2 Insert
Bild 0·39
Vers tärkungsplatt e u nt er Rand leisie ei n er
Platte.
Die Verslärkungsplatte wurde vor dem Anbrin-
gen eines Kan tenprofi ls eingeklebt und danach
das Gewinde gebohrt
Bild 0 ·40
Einnietmuttef".
Dieses für dünnwandoge Strukturen geeignete Ve rbi nclu n gse le-
ment gibl es in Gew indegrö6e Y()O M3 bis M12.
o Rahmen
K r art etnlettu nf.: force opptication. Die pu nktu ell e Kraftein leitu ng in Leichtb aus trukt uren
stellt ein heikles Proble m dar. Am besten ist es, die Kraft auf eine Strecke (Bild 0-41) ode r
besser eine Fläche (Bild 0-42 ) z u verteilen.
Bild 0 -42 liefert ein Beispi el zur Lösung des Proble ms der örtlichen Einleitung einer Ein-
zclk r aft. Dies erfolgt du rch ei ne schräge Stütze in eine S and wichplatte. Du rch d ie Gcstal-
/,/11 I1I11 111 IIIi
f,(x)
II
I:
d
Bild 0 -4 1 Krafteinle itung in Sandwichplatten. nach [012J.
fz(x} bezogene Que rkraft (Streckentast). Die Einleitung der Last e rfolg t großf lächig und so. dass der
Kern nich t geschädigt wird.
a ois d Kern d urch Leisten und Profile ö rtlich ver stärkt, e strukt urie rte r Kern , loka l a usgeschäumt
~,.
'.
111111 1 11111111:
Bild 0 -42
Anbindung einer Stü tze an eine Sandwichplatte. nach [0 12].
Durch d ie sc hräge Bohrstütze we rden in idealer Weise Schub-
{Fyl und D ruckkräfte (Fzl abge leitet. Das Einschra ube lement ver -
teilt d ie St ützenk ratt als Flä chenlas t in be ide Deckhä ute und
der Kern wird von Druc kkräften frei gehalten . Diese Verbind ung
ist lösbar gesta ltet.
2 Bauarten
tung der Verbindung überzwei Platten mit Schra ubgewi nde ist die Anordnung lösbar. Muss
die Verbindung nicht lösbar sein, können die beide n Platten beliebige Formen aufweisen
und mit den Decklagen der Platte verklebt und vern ietet werden. Auf diese Weise können
beis p ielswe ise Lage rzapfen fü r Um lenk hebel oder Widerlager für Fede r/Dä mpfe r-Ei nhei te n
a n Platte n angenietet wer de n.
Strukt uren für g rößere Biegek räfte (z. B. Seitenaufprallsch utz des Cockpits) können
durch schubsteife Kombination zwcicr Paneele dargestellt werden, also im Grunde wie
die Sa ndwic hplatten selbst . wo ja zwei z ugs reife Decklagen durch einen Kern auf großen
Abstand gehalten werden (Blld O~43).
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~234
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Bild 0 -43
Verklebung zweier Paneele mit PU-S chaum.
1 Außenwand des Rahmens
2 Zwei-Komponenten Schaum (z. B . Fa. Ewidur)
3 Abdeckblech
4 Distanzblech
Die Außenwand des Rahmens und die Cockpitsei-
lenwand bilden den Seilenaulprallschut z indem sie
mit einem aushärtendem Schaum verbunden wer-
den. Zwischen den Paneelen werden zusätzlich Z-
rörrnqe mecrenenen (4) eingekleb t. Den Abschluss
nach oben bildet ein Blech (3). das erst nach dem
Ausschä umen aufgebracht wird.
Schottw änd e bulkheads . Die kasten art ige Stru ktur wi rd a n passenden Abschn itten von
Querschott wänden stab ilisiert. Weiters können damit lokale Kräfte in den Rahmen einge-
leitet werden . Solche Abschnitte sind hinter dem Fahrer. vor dem Lenkrad. Anbindungse-
benen von Lenkgetriebe und Querlenkern . Außerdem kan n auch der Motor, wenn er dafür
geeignet ist. direkt an eine Schott wand geschraubt werden.
Schottwände werde n aus de m Vollen gefräst , gegossen oder aus Einzelteilen (Profil-
roh re, Bleche ctc .] aufgebaut und in die übrige tragende Struktur durch Nieten , Kleben ode r
Schweißen eingebu nden.
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2
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a Schrägr iss
b Schnittdarstellunq
1 Querspant
2 Paneel
Bild 0 -44
Verbindung eines Paneels als Seitenwand mit einem Q uerspan t eines Kasten rahmens.
Durch die Ausfräsung im Spant weist die Außenkontur des Rahmens keinen Nvea u-Ontersctuec auf.
Eine zusätzlich aufgeklebte Decklage verbindet die äußere Ha ut des Paneels m it dem Spant.
o Rahmen
Btnd em ttr et adhesives. A ls Strukt urklebstoff bei m Vera rbeiten von Sandwichplatte n kön-
nen folgende Klebstoffe eingesetzt werd en: Sika Fast :KJ-521l. ein Zwe ikompo nenten Kleb -
stoff au f Acrylal-Ba sis oder 3M Scotch-Wcld'~ Klcbstoff9323.
Eine für Wabenkernpaneele geeig nete Füllmasse ist : 3M" 'Scotch-Wcld '" Füllmasse EC
3439, ei n Epox id-Harz.
Repar atu r repoir. Eine Reparat ur lässt sich örtlich begrenzt relativ einfach durchführen. Es
können ga nz e Platt en ersetzt ode r au ch nu r Teilbe reiche .,gefl ickt" werden. Eine beschädigte
Platte wird durch Aufbahren der Niete entfernt. Ist eine zusätzliche Ktcbung vorhanden.
wird diese Verbindung mittels Heißluftgebläse gelöst. Nach dem Reinigen der Anschluss-
stellen kan n eine neue Platte wie bei der ursprü nglichen Herstellung eingesetzt werden.
verstetrun g von Bleche n stiffening ofsheets. Bei Kastenrahmen werden nicht nur Sand-
wichplatten. sonde rn auch Dünnbleche verarbeitet. Diese übertragen zwar Zug und Schub
auf gewichtsparende Weise. haben aber eine geringe Formsteifigkeit und sind sehr vcrsa-
gensanfällig bei a nde ren Belastung-arten. Deshalb sind beso nde rs bei gro ßflächigen Teilen
Versteifungen erforderlich. die die Tragfähigkeit und die Sicherheit gegen Versagen durch
Instabilität (Beulen. Knittern, Knicken, ...) erhöhen. Im Sinne des Leichtbaus ist es ideal.
wenn dies oh ne zusätzlichen Materialaufwand und/oder mit dem Gewinn an Zusatzfunkti-
onen geschieht. Die gängigsten Methoden sind:
Bo rnbicru ng (Sc halc nbild u ng j.
Sicke n.
Rippen,
Randversteifungen .
Du rchzüge.
Bombterung shellfor ming. Bom bierungen erzeugen aus eine m ebe nen Blech eine räum l i-
che Sch ale nstruktur. d ie bei gleicher Wandstärke ein wesentlich höheres Flächentr ägheits-
moment aufweist und damit einer Biegu ng einen größeren Widerstand entgegensetzt als die
ebe ne Platte. Bild 0-45.
Bild 0-45
Bcmbierunqen von Blechen.
a einfach gekrümm te Fläche
b doppelt gekrümmte Fläche
Sicken heads. Große Blechflächen können durch Sicken versteift werden . Dabei wi rd das
Blech linienartig aus seiner Ebene hera us gep rägt und somit das Ftächcuträghcits momcut
überprop ortional quer zur Sickenrichtung erhöht (quadratischer " Steineranteil" des Träg-
hcitsmomcnts). Die Kontu r des Präge- ode r Walzwerkzeugs gibt die Form de r Sicke vor.
Bei der Erhöh ung de s Fläche nträgheits moments ist es besonders entscheidend einen
große n Abst and der Mate rialq uerschnitte von der Biegeachse zu erreichen . Deshalb sind
Rechtecksicken steifer als Halbr und- ode r Dreiecksicken . Bfld 0 -47. Das heißt auch. dass
2 Bauart en
o
Bild 0 -46
Sickente rmen.
a Rechtec ksicke
b Trapezsicke
c Dreiecksicke
d Halbrundsicke
e Beispiel einer Formsic ke
Sickentiefehma• s 5bis6t
Bild 0-47
Einfluss d er Sickenform auf das
Flächentr ägheitsmoment. nach 1012].
Ein Blech m it 1 mm Dicke und einer Sickenbre ite
von 10 mm kann auf unterschiedliche Wei se auf
die Höhe h gesickt werden, Das Flächent rägheits-
momen t ist be i de r scharfkant igen Rechteck form
am größten, weil der vorgege bene Bereich Brei -
te x Höhe bestm öglich au sgenutzt wi rd.
R Rec htecksick e
H, Halb rundsic ke. scharfkantig
H2 Halbrundsic ke, aus ge rundet
V Dreiecksic ke
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scharfkantige Sicken steifer sind, als solche mit großen Rund ungsradie n. Der kleinste her-
stellbare Biegeradius wirdjedoch von der Festigkeit des Blechs vorgegeben und lieg tje nach
Blechwerkstoffi n der Größenord nung der Blechdicke.
Sicken dürfen alle rdings nicht zu hoeh gestaltet werden, weil sonst die Seitenwände der
Sicke selbst wieder zu weich werden. Ein Anhaltswert flir die größte Sickentiefe liegt beim
5- bis ö-fachc n der Blechdicke.
Ein Vergleich zw ischen Platten mit gleichen Grundabmess ungen (Länge x Breite) und de m-
selben Widerst andsmoment. fü hrt den Gewichts- und Stcifigkcitsvcrtcil eines ges ickte n
Blechs a nscha ulich vor Auge n, Hild 0 -48.
Die massive Stahlblechplatte (li nks) biegt sich fast doppelt so weit durch wie di e Dünn-
blechplatte (rechts). Die massive Platte benötigt fü r dasselbe Widerstandsmoment etwa die
dreifache Masse .
Durch Sicken wir d auch die Geräuschbildung und Bculcmpfindlic hkcit von Blechfeldern
e rheblich gese nk t.
o Rahme n
Bild 0-48
Vergleich zweter Platten mi t
gleichem Biegewiderstand,
nach [012].
Vergleichsbasis ist das Wider-
sta ndsmoment W
Links: massive Stahlplat te mit
7,75 mm Dic ke, rech ts: ge-
sick tes 1-mm-Blech
m Masseder Platte
,
Rächenträgheits moment um
die Biegeachse
sOurehbieg ung unter de r
Last F.
2,13 mm
180\
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m"1,83 es 1 100% 1132%1
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0,59 kg
W"600 mm' I 100\ I !~~tO~O~'~~C::::==::::J600 mm
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14200 mm'
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vermeiden
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Bild 0 -49 Ges taltungs richtlinien für Sic ken. Erläuterungen siehe Text.
Einige Richtlinien für das festigke itsge rechte Anordnen und Gestalten von Sicken sind in
Bild 0 -49 zusammengefasst.
a: Sicken sollen nicht scharfk antig enden . sonde rn verlaufend zum Blechrand hin in der
Höhe abnehme n.
b: Bei Blechfeldern wcrdcn meist e inzelne Sickenabschnitte gcp rägt. Dabei ist da ra uf z u
ac hten. dass d iese Einzelsicken nicht ein ge radliniges M uste r bi lden. Dadurch entstehen
nä mlich linie mutige Bereiche (strichlierte Linien im Bild b. links) . in denen das Flächen-
trägheits mome nt des Blechs nur durc h se ine Dicke bestimmt wird . Das Blech wird sich
a lso be vorz ugt entla ng d ieser Linien biegen.
c: La ufen mehrere Sicken zus a m men. entstehen Knoten mit Spa nnungssp itzen. Solche Kno-
tc n sollen aufgelöst werden.
d: Lange Diagonalsicke n an tlac he n Blechen haben eine ge ri nge re s tcifig kcit ssrcigc m dc
Wirkung als umlaufende Sicken mit doma rtigen Eckbereichen.
788 1
2 Bauarten
c: Bei langen U- und Z-förmigen Blechholmen besteht trotz Sicken Knickgefahr. wenn die
Sicken nur linienartig wirken. also das Flächenträgheitsmoment nur um eine Achse stei-
gern. Günstiger sind Sicken. die auch die Profilkanten versteifen.
f: An dynamisch bea nspruchten Blechen führen regelmäßige Sickenmustcr z u Dauerbrü-
chen an den Sickenrändern. In dem Fall sind aufgelöste Sickenanordnungen zu bevorzu-
gen.
Ripp en ribs. Rippen erhöhen auf dieselbe Art wie Sicken die Steifigkeit. indem Materia l-
que rschnitte aus der Blechebene herausgehoben werden und somit das Flächenträgheitsmo-
ment überproportional gesteigert wird. Der Unterschied zu den Sicken liegt einfach darin.
dass Rippen zusätz lich auf der Blechobe rflache angebracht werde n. während Sicken direkt
in das Blech gedrückt werden. Rippen werden also in Differenzialba uweise aufgebaut und
dementsprechend steigt der Material- und Fertigungsaufwand im Vergleich z um Sicken.
Für die Verbindungstechnik kommt Kleben. Nieten, Schweißen oder Löten in Frage. Bei
Gussteilen werden Rippen allerdings in der Regel angegossen.
Rippen müssen allerdings nicht parallel angeordnet sein wie in Bild 0 -50, so ndern kön-
nen auch diagonal oder kreuzend verlaufen, wodurch sich Steifigkeit nicht nur in einer Rich-
tu ng erh öht, Bild 0-51.
Reichen Rippen nicht von einer Krafteinleitungsstelle zur nächsten, sonde rn sind sie nur
örtlich a ngebra cht. müsse n s ie in der Höhe verlaufe nd gesta ltet werden , da mit kein Stcifig-
keitsspru ng a m Rippenende e ntste ht.
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,
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Bild 0-50
Beispiele von Rippen.
Diese Rippen werden aus gera -
den Leisten gefert igt.
Bild 0-51
Beispiele für A nordnung en von
Rippen .
Durch d ie Anordnung der Rip-
pen wi rd die Steifigk.eit der Platte
richt ungsu nabhäng ig.
Randversteifun gen edge reintorcement. Freie Blechrä nde r sollte n a us z wei Grü nden ver-
stärkt werde n. Einmal führt die geringe Steifigkeit des ebenen Blechs zu Instabilität (Kni-
cken, Beulen) und zum anderen stellen freie Ränder mit ihrer messera rtigen Gestalt eine
Verletz ungsgefah r fü r Mensch und Leitu nge n da r. Einige Möglichkeit en Blechränder wir-
kungsvoll durch Falzen oder Rollen zu versteifen sind in Bild 0 -52 zusammengefasst.
o Rahmen
Bi ld 0 -52 Bandve rsteitunqen von B lechen .
Die Rand ver steifun g en heben nicht nur da s Flächent rägheitsmoment sond ern bilden auc h b rauch bar e
Kanten .
Durchzü ge s waged holes. Du rchz üge sind zwar keine allgemeine Versteif ungsa n . son-
dern sie werden dort angewa ndt, wo g roßflächige Bereiche durch Entfernen von Material
erleichtert werde n sollen . Dies ist der Fall bei Stegen von hohe n Trägern und große n. ebe ne n
Blechfelde rn. Brächt e man an d iesen Stellen nu r einfache Löcher an. wür de die Ste ifigkeit
ja sinken. Das Ziel bei der Gesta ltung eines Durchzugs muss also sein. J ass die Wand mit
Durchz ug ein höheres Fläche ntr ägheitsmoment hat als die ungelochte Wa nd.
Auch die Stege von Trägern können mit Durchzügen versteift werden (Bild 0 -53b).
Obwohl für den Steg die Schubspannu ng aussch laggebe nd für das Versage n ist und ein ein-
faches Loch die Span nung zwangsläu fig erhöht, fallt d ie Schubs pannu ng bei höheren Stegen
und Durchzügen ab [0 12]. Damit lassen sich Träger also tatsächlich oh ne Festigkeitsverlust
er leichte rn.
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Bild 0-5 3
Durc hzüge.
a Einige Arte n von Durchzügen m it Angaben
von bewäh r ten Abmessungen
b Träger mit gelo chtem Steg
2 Bauarten o
verme iden
bevorzuQ en
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b
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c
~C[J ~q]
Bild 0 -54
Gestalt ung shinweise für
Blechteile.
Maßnahmen zur Redu-
zierung d er Eigenspan-
nung d urch A us rund ung
der Falzränder vor dem
Abka nten , Weite re Erläu -
terunge n siehe Text,
Gest altungsh m welse für Blecht elle . Bei Biegu ngen von Blechteile n können Spannungs.
spitzen durch entsprechende Gestaltung der Falzränder vermieden werden, Bild 0-54.
a: Werden Bleche z u scharfk antig abgekantet besteht Bruchgefahr an der Kante durch
Überdeh nung in der Zugzo ne. deshalb sind Rundungen wese ntlich günstiger und neben-
bei auch einfacher herz ustellen. Der mi nimale Rund ung sradiu s hängt dabei von der
Blechdicke und vom Werkstoff ab, siehe Tab elle 0 -2 .
b: Auch beim Umfalzen von Bleche n führt ein Zusammendr ücken der Rundung z ur Abnah-
me der Festigkeit in dem Bereich. Abhilfe schafft eine ösenförmige Rund ung.
c: Treffe n bei m Abka nten meh rere Blechteile an einer Kante zusamm en, so führt die Wulst-
bildung in der Stauchzonc zu einem Klaffe n der Kanten und z u ungünstigen Spannungs-
z uständen in der Ecke. Krcisförmigc Ausspar ungen (Radius z 2 t) an den Ecken der
ebenen Blechzu schnitte schaffen günstige Beding ungen für Fert igung und Festigkeit.
Tab, 0-2 Anhaltswert e für Mindest radien R',m;~ beim 90° -Biegen von Blechen und Bändern. nach [021 ].
Ri.min=C •t.
Werkstoff Sta hn mit Rm [N/ mm2]
Aluminium
M agne sium -
re gi erung en
~390 390 bis 490 490 b is 6 40 we ich halbhart
hart
c
1-1,7
1,2-2,3
1.6 -2,3
0,6 -1
0.9 -2
2-3
3-5
') Gültig bis Blechstär ke t - 7 mm
Beispie le. Beispiele von Alu mi niu m-Wabc nke rnp a necle n in Renn fahrz eugen .
Der Produktionssportwagen DJ Firccat weist ei n Fahrze uggewic ht von 420 kg bei einer
Gesamtlänge von 3870 mm auf. Sein Rahmen besteht aus Paneelen mit einer Dicke von 25
mm mit 0,6 mm Deckplatten für das Monocoquc und 1,2 mm für den Motor raum [0 ( 7).
Der Kastenrah me n aus Aluminium - und Kohlefaserplatten mit Stahlq uerspante n des
Renault RE20 Formel-I -Wagens (1979) wog 46 kg [018].
o Rahmen
Bild 0-55
Vorderes Ende eines Monoco-
ques a us Wabenkernplatten m it
Anbring ung de r Umlenkhebel
der Vorde rradaufhängung.
Die Schotlwand vorne. d ie das
Lenkgetriebe trägt und d ie vor-
deren Arme der Querlenker auf-
nimmt, ist aus einer massiven
Aluminium -Platte gefräst Die Be -
festigung der Umlenkhebel e rfolgt
nach dem Prinzip von Bild 0-42 .
Siehe dazu a uch d ie SChnittdar-
stel lung des Achszapfens für den
rechten Umlenkhebel (Pfeil).
Bild 0-56
Großfläch ige Anbind ung eines
Lenke rs am Rahmen (Lotus 49
R6,1970).
Zu sehen ist d ie Aufhängung des
rechten Vorderrads . De r obere
Querlenker überträgt bei diesem
Fahrzeug auch Bieqemcmente
zur innen liegenden A ufba u /ader.
Seine Lage rung ist dahe r ent-
sprechend kräft ig dimensionie rt
und übe r ein k.eilfÖrmiges Blech
großflächig am Rahmen ange-
nietet
Bild 0-57
Kasten rahmen eines
Monoposto (Opel Lot us).
2 Bauarten
o
Bild 0-58
Kastenrahmen eines Produ kti-
onssportwagens (Osella).
Der Vorderteil der Außenhaut
ist abg enommen, deshalb ist
der Rahmen gut zu erkennen.
Die Kastenstruktur besteht
aus ocnomecn. Der Moto r ist
an der Rückwand des Cock-
pits verschra ubt und zusätz -
lich qetrie beseitiq mit Streben
zur Überrollstruktur verbunden
(Bild M-ll?). Vorne am B ug ist
d ie Crashstruktur angebracht.
Der Schalt hebel befindet sich
rechts au ßerhalb des Cockpi ts.
Der Fahrer greift zum Schalt en
durch die ovale Öffnung in der
Seitenwand . Rechts vorne ist
ein Hebeauge zu sehen.
2.3 Monocoques a us Faserve rbundwerks toffen
Compos ite monocoque chassi s
Die Monocoquc-Bauwcisc stellt de rzeit die Fo rm de r höchsten Integrat ion beim Rahmen
dar. Die in Scha lenbauweise aufgebaute relat iv dü nnwa nd ige St r ukt ur übe rt rägt s ämtl iche
Kräfte und Momente. Ein Monoco que umfasst in einem Stück das Cockpit u nd An schl uss-
stellen zu Nachbarbaug ruppe n. Es stellt somit auch die gesamt e tragende Struktur des Fahr-
zeugs dar und hat dabei für einen Einsitzer eine Masse von nur etwa 45 kg.
Bei großer Gestaltu ngsf reiheit können Wandstärken und Faserrichtunge n variiert wer-
den und offene ode r geschlosse ne Rahmenst rukt uren realisiert werden. Die Gew ichtsei n-
spa rung gege nüber vergleichbarer Al umini um-Ausführu ngen kann bis 40 % betragen . bei
Stah l kann dieser Wert 60 % erreiche n [DOM].
P rin zi p prin ciple , Ein Monocoq ue besteht von der Idee her aus .cincr'' Schale, die s ämtl iche
Lasten aufnimmt. Dazu ist auch d ie Außenha ut tragend in d ie Gesamt struktu r eingebu nden
und meist als Sandwichstrukt ur au fgebaut. Q uers panten geben d ie Q uerschnitt sfor m vor
Bil d 0-59
Schalenba uwe ise schemat isch,
Der Rahmen besteht aus einer Schale, die Normal-
und Schubkrä fte übe rtragen kann. Oie Außenhaut
(Verkleidung) ist mittragend .
1 Außenhaut (outer) ski n
2 Spanten b zw. Schott wände
buik neecs resp. partitiOn wails
o Rahmen
und verstei fen die Stru ktur vornehmlich an Stelle n, wo punktuell Kräft e ei ngeleitet werden
müssen. b ei Fahrwerksa nbind ungen ode r z u r Moto rbefestig ung.
Wie immer sprechen nicht nur Vorteile für diese Bauwe ise. son dern es gibt auch Gege n-
argumcntc. die auch andere Rahmenarten beste hen lassen. In den höchsten Ligen des euro-
pä ische n Motorsports do m iniert a llerdi ngs diese Bauweise. sofe rn es d as Reg lem ent nic ht
ausd rücklich unter sagt.
vorre tte advantages:
höc hste Integ ration von Funktionen in den Rahmen möglich.
zumi ndest teilweise keine Auße nhaut erforderlich.
große Gest altungsfreiheit.
hohe Reprod uzie rgenauigkeit.
geringes Gewicht.
Na c h tei le disadvantages:
aufwändige Fertigung, die nur von wenigen Spezialfirmen durchgeführt werden kann.
Repa rat uren schwi erig.
relativ ge ringe Tempe rat urbestä ndig keit.
keine nachträglichen Konzeptänderungen wege n Integ ralba uwe ise möglich,
Ansch raubpunkte müssen im Konzept festgelegt werden und kön nen nachträglich nicht
geän dert werde n,
teuer.
Fascrn'rbund\\crkstoff-La m inat fihre compos ite laminated material , Monocoqucs un d
viele we itere Bautei le (Außenhaut. Flügel. Luftlcitclcmcnte. Halter•. ..) werden aus Fase rver-
bund we rkstoffen (FVW) in Sch ichten (Laminaten) au fgebaut . Ein Verbu nds toffbeste ht aus
meh reren unterschiedlichen Werksto ffen. d ie stoffschlüssig miteinander kombiniert wer-
den. Im Grunde ist der Aufba u eines Schichtenve rbundes folgender, Bild 0 -60.
Mehrere Lagen von dünn en. biegeweichen Faser matten we rde n mit einem Füllstoff'{Marrix)
in einem Schichtenverbu nd eingebe ttet und erh alten so d ie gew ünschte Formst abilität. Die
Matten können durch unterschiedlich Verarbeitu ng de r Fasern hergestellt werden. Kurzfas-
rige verpresste Fasern bilden Matten (a). Sind die Fasern der Matte parallel in einer Rich-
tu ng ausgerichtet (unidirektional) so spricht man von ei nem Roving. Schließlich können
die Einzelfasern zu einem Gewebe verwoben werde n (z. 8. durch Köper-Bindung wie ei n
Tcxtügcwcbc). Die Fasern können unter andere m aus Glas. Kevlar ''g" Ara mid und ebe n aus
Kohlenstoff gewon nen werden. Die Kunststoff-Matrix wird in de r Regel von Epoxidhe r-
zcn. Polyosther und auch von Kohlenstoff (_ CFC. kohlenstoffverstä rkter Kohlenstoff)
geb ildet. Üblicherweise vertragen die bei CFK eingesetzten Epox idha rze Temperat urein-
wirk ungen von ca. DU"C. Darüber erweiche n sie und der Verbund verliert seine Formstci-
figkeit. Müssen höhere Temperat uren e rt rage n we rde n (z . 8. in der Nähe von Motor. Abgas-
an lage, Bremsen). sind auch Harze für Dauertemperaturen über ISO °C verfügbar [0 16].
Der Schichte nverb u nd hat a nde re Eigenschaften als die Einz elwerkstoffe u nd ist a niso-
trop, d. h . die Eigenschaften sind richtungsabhä ngig. ßil d 0-61.
794 1
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Dehnung
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2 Bauarten
Bild 0-60
Aufbauschema dünnwandiger
FVW-laminate.
Aus (unterschied lichen) Faser-
malten (a,b .c) plus Harz mit
Härter entsteht ein Schichten-
verounc.
a Malte
b Gelege (Roving)
c Gewebe
Bild 0-61
Anisot ropie eines Schichtenver-
bunds.
a Aufba u de r Schichten
1 Matri x
2 Gewebelagen
b Dehnungsv erhalten parallel-
laserverstärkten Verb unde:
Hochs teil in Faserricht ung.
nachg iebig que r zur Faser-
rich tung und nachg iebig.
nich tl inear bei Schubbean-
sp ncbuog
o
Die in Hochleistu ngsstru ktu ren am häufigsten eingesetzten unid ircktional parallel en Faser-
richtu nge n ze ige n a usge präg te, u nt ersc h ied lich e Steifigkeiten und De h nunge n in Faserrich-
tung und q uer dazu. In Faserrichtung bestimmen die Fasern die Zugfestigkeit und quer daz u
nur die Matrix. In Faserr icht ung sind d ie Verbunde hoch -ste if bei e iner geri ngen Br uch-
dchn ung. Quer zur Fasero rientieru ng zeigen diese Werkstoffe eine wesentlich geringe re
Steifigkeit , d afü r a llerdi ngs eine größe re Br uc hdehnu ng. Wenn der Br uch eintritt. werden
die Sch ichten d u rch Versage n der Matrix örtlich wiede r ge trennt (dela m iniert). In beide n
gena nnte n Richtu nge n sind die Kraft-Deh n ungsbeziehu nge n n ahez u linear. Anders verhä lt
es sich bei Schu bbeanspruc hu ng. In beide n Haupt richtu ngen verhält sich de r Verb und stark
n icht-linea r.
Wcgcn diese r Richtungs abhängigkeit der Werkstoffeigenschaften ist es entsc heidend die
Fasern im Bauteil so zu legen, dass sie hauptsächlich auf Zug bea nsprucht werden. Das ist
nicht immer möglich , deshalb werden meist mehrere Lagen mit untersc hiedlicher Faserkon -
figuration kombinie rt, Bild 0 -62.
Symmetrischer Lage naufbau hält den Verz ug beim Aushärte n unter Tempera turzufuhr
klei n (a) . De r Lage nau fba u im Bild ist 45°- Gewebe, 90 °-Gewebe, 90 °-Gewebe u nd 45° _
Gewebe. Werden an besti mmten Stellen örtlich klein ere Kräfte ei ngeleitet , etwa durch eine
Befestigu ng fiir die Außenha ut, werd en loka l Verstärk u ngslage n zwische n gelegt (b). Für
größere Kräfte, etw a für Versch raubu ng von Ko nso le n, werden Metallinse rts be nut zt, so
gena nnte Krafteinleitu ngsele mente (d). Diese kön nen a us eine r ei nfac he n Platte bestehen,
o Rahmen
~
f
b
~o°0
0°
•
0
c
•
Bild 0-62 Beispiel e für d en Lagenaufbau ein er Faserverbundstruktur.
a Die L agen werden symmetrisch gelegt, da mit Baute ilverzug beim A ushä r ten red uzie rt wi rd:
45' - 900
-
90· -
45' .
b Lokale Verstärkung (1)
c Sanowicttstcukt ur:
1 Faserlagen
2 Wabenkern
d Krafteinleitungselement
e Einlaminierte Platte (1, Hard poin t) mit anmodellie r te r Rampe (2)
f Mit Verstärkungspf laster (1) einlaminiertes Kraft einl eit ung sel em ent (2)
die nach dem Aushärt en aufgebahrt wird (c) oder aus Elementen, die bereits einen Zapfen
mit Innen- bzw. Außengewinde tragen (d]. Auch wenn Alumin ium einen Gewichtsvorteil
bietet, diese Elemente sollen aus rostfreiem Sta hl oder Titanlegierungen gefertigt werden.
Bei anderen Metallen besteht in Kombination mit Kohlefaser matten die Gefahr der elek-
trochemischen Korrosion [023]. An den Übergangsstellen vom Insert zu den Lagen wird
e ine Ramp e aus angcdicktcrn Harz oder Strukturkleber anm odcllicrt . damit wird dieser
Stcifigkcitssprung entschärft , Bild 0~62e (2). Verstärkungen für Verschraubungen können
auch durch Einlaminieren von vorgefert igten dicken CFK~Platten (ca. 10- 15 mm) dargc-
stellt we rde n.
Dünnwandige Schichtenverbunde allein genügen für die Schalenstruktur von Rennfa hr-
zeugrahmen nicht. Für diesen Einsatz werden aus den Fasermatten Sa ndwichstrukturen
aufgebaut, Bild 0 -62c. Ein Wabenkcm aus Aluminium oder Aramid [Nomcx'P) wird bcid-
2 Bauarten
scits mit dünnen Schichten beklebt. Wabe nkerne si nd in unterschiedlicher Höhe als Halb-
ze ug erhält lich. A n Überga ngsst ellen von hohen zu niederen Q uerschnitten werden die
Wa ben kern e abgefräst (geschäfte t) u nd a m Ra nd eine Übergangs ram pe a mnodcllicrt. Das
Mo no coquc eines Form el-Re nault- Wage ns besteht au s ei nem A lumini um-Waben kern m it
20 mm Dicke. Die beiden Decklagen aus CFK sind insgesa mt je 1,5 mm stark [0 09]. Beim
Hand auflegeverfah ren von Laminaten bet rägt der Gewichtsanteil der (eige ntlich tragenden)
Fasern etwa 30 bis 35 % des Gesamtgewichts [0 22]. Der Rest ist also das die Matrix bil-
dend e Har z, dessen Festigkeit wese nt lich geringe r ist . Fü r Rennfahrze uge we rden die Lage n
dah er mit so ge nan nten Prcprcgs au fgebaut. Prcprcgs sind bere its im gew ünsc hten Ver-
hältn is mi t Harz vorgeträ nkte Ma lte n (e ngi.: {,llXim~nufed material), d ie oh ne weite re
Zusätze unter Druck und Temperatur in eine r Druckkammer (Autok lav) aushärten kön nen.
Die Prcprcgs werden tiefgefroren um - 15 bis _ 18 °C gelagert, da mit das Harz im Ge webe
verbleibt. Dadurch dass bei dieser Technik kein Harz manuell hinzugefügt wird. s teigt der
Gewichtsantei l der Fasern im fe rt igen Verbund auf65 % und mehr. Dies steige rt die Festig-
keit und verri nge rt das Gewicht im Vergleich z u Strukturen, die im Handauflegeverfahren
herges tellt we rde n.
Im Ren nspo rt we rden für Ra h men vorneh mlich Ko hlcfascr- P rc prcgs he ran gez ogen . Der
damit erze ugte Verbu ndsto ff ist somit ei n kohlenstofffaserve rstä rkter Ku n ststo ff (Cl'K , cngt .
CF RP carbon fihre reinforced plus/ie) . Die Ausg a ngsh albzeuge fü r ein Monocoq uc ze igt
Hild 0-63.
CF K-Strukturen erwe isen sich auch bei der Aufnahme von Crash-Energie n als ve rteil-
haft. Fahrer konnten so scho n Unfalle über 200 km/h ohne größere Verletzu ngen übcrstc-
hen . Pro Jahr werden in der Formel I ca. 12 Monocoqucs pro Wagen verbraucht.
Die Formen zu r Herstellu ng der Lami nate werden vor alle m für kleinere Bauteile aus
Aluminiu m gefräst. Ein Nachte il besteht im sta rk unte rschie dlichen Wär meausdehnu ngs-
verhalten von Aluminium und CFK, was vor allem bei g roßen Bauteilen die Maßhaltigkeit
ve rsc hlechtert. Eine Alternative stelle n Forme n au s Gra fit dar. Diese r Werks toff weist bei
ge ringerer Festigkeit ähn liches the rmisches Aus dehnu ngsve rhalten wie C FK a u f. Be i g roß-
en, maßgenauen Teilen wird die Form selbst aus CFK von Hand hergestellt. Das liefert eine
stabile Form mit derselben Wärmeau sdehnung wie das Werkstück. Diese Methode findet
bei Mo noeoques Verwe ndu ng u nd wird im folge nden Abschni tt be sch rieb e n.
o
Bild 0 -63
Ausgangsmaterial für
CFK-Sand wichba uteile.
Prepregs (links, mit teilweise ab -
gezogene r Schutz tonej neben
Aluminium- und Aramidwaben.
o Rahmen
a
Bild 0 - 64 Entstehung von Negativfarme n.
Herst ellung. Ocr Herstellprozess ei nes Monocoqucs beginnt ähn lich wie bei einem Sa nd-
gusssteil mit der Erstellung eines Positivmod ells (hllck). Dieses gibt die Auße nfo rm des
späteren Teils mit allen Nuancen wieder, deshalb werden hohe Anforderungen an die
Oberflächenqualität dieses Modells gestellt. Bild 0 -64b. Das Modell wird meist basierend
auf den CAD· Datcn des Bauteils aus einem Klotz zu sammengeklebter Kunststoff- oder
Holzfaserplatten gefräst. Bild 0 -64a . Von diese m Modell werde n in manuellen Verfahren
{Ha nda uflcgcvcr fahrc n, Ha rzin fusion ctc.] d ie Negat ivfor me n tfe mate moulds erzeug t. Das
kann eine einzige Form sein ode r es können auch zwei Formhälften abgenom men werden.
mit dene n zunächst zw ei Halbschalen erzeugt werden. d ie im Anschluss miteinander z um
endgültigen Monocoquc verk lebt werden müssen. Je nach Komplexität des Modells sind für
jede Formhälfte meh rere Teile erforderlich. die über Flansche miteina nder versch raubt wer-
den. Bild 0 -64c. Die Negativfo rm muss ja ohne Ze rstörung des Modells entformba r sein.
darf also keine Hintersch nitte aufweisen. Bei einem modernen Monocoque sind dafür sechs
Teile für zwe i Formhälften (Bild 0-64d) erfo rde rlich.
Mit diesen Fo rmen begin nt der eigentliche Fertigungsprozess eines Chassis. Bild 0 -65.
In di e mit Trenn mittel bestr ichene Form bzw, die Formhälften {a] werde n die einzel nen
Lagen eingelegt (b). Der Zusch nitt der erfo rde rlich en Prepregs erfolgt meist CNC-geste uert
über Lase rschneider ode r auch von Hand . In jedem Fall müssen die einzelnen Lage n genau
die von der Konstruktion vorgesehene Faserrichtun g und Reihenfolge aufweisen. wie sie
im Lagen buch (p ly books fe stgelegt sind. Die erste Lage, die in d ie Form gelegt wird. ve r-
798 1
2 Bauarten
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Bild 0 - 65 Arbeits/alge im Autoklaven.
1 Vakuum
4 Gebläse
Erläuter ungen siehe Text.
2 Druck
5 Kühlung
3 'tempe rafu rtühler 6 Heizung
dient besondere Sorgfalt , weil sie die sichtbare Oberfläche des fert igen Bauteils bildet. Die
Außenlage besteht aus etwa 150 bis 20(JZuschnitten. Im Autoklaven wird dieser Lagenauf-
bau zu einem Verbund verpresst.
Der grundsätzliche Aufb au eines Monocoqucs ist eine Sandwichsrruktur, d . h. auf die
Auße nlage n werden di e Wabenkern e gelegt u nd an den vorgesehenen Vcrschraubungsstel-
lcn Inserts eingefügt. Anschließend wird die Str uktur mit den Innenlagen abgedeckt.
Die Behandlung im Autok laven erfolgt in mehreren Stad ien des Produktionsprozesses
und ist im Grunde immer wie folgt. Der Lagenaufb au in der Form wird mit einer porösen
Trennfolie belegt und mit einem Sauggewebe abgedeckt. Über alt das wird eine Vakuu m-
folie gestülpt, die z ur Gr undplatte hin abgedichtet wird (Bild 0 -65c). Der so gebildete
Vakuumsack wird evak uiert. Das förde rt die Entgasung von eingeschlossener Luft in der
Schichtenstruktur und der Atmosphärendr uck verdichtet die Lagen. Überschüssiges Harz
wird vom Sauggewebe aufgenommen. Dieser Aufba u wird in den Autoklaven eingebracht
(dl. Ein Autoklav ist ein Kessel, in dem Druck, Vakuum und Temperatur getrennt eingestellt
und verändert werden können. Messfühler im Lagenaufba u überwachen und dokumentie-
ren den Verlauf dieser Größen. Ein typischer Autoklavenzyklus zur Herstellung von CFK-
Bauteile n ist in Bild 0 -66 da rgestel lt.
Im Autoklaven wirkt zusätzlich zum Atmosphärendruck Überdruck auf Bauteil und
Form ein und die Verpressung der Faserschichten wird weiter gesteigert. Die Maximal-
drücke sind unterschiedlich; Die Auße nlagc allein wird mit 7 bar verpresst. die ges amte
Sandwichstruktur nur etwa mit 3 bar, damit der Wabenkcrn nicht kollabiert. Bauteil und
Form werde n dabei gleicher maße n vom Druck be aufschlagt. Desh alb muss die Fo rm bloß
eigensteif aber nicht druck stabil sein.
o Rahmen
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Bild 0 -66
Typi sch e r A utoklaven -
zyklus für C FK-Teile.
nac h [024].
Die vorgege bnen Ram-
pen von Druck, Tem-
perat ur und Vakuum
werden im A utoklaven
rechne rgesl euert abge-
fahren und von Mess-
fühlern dokumentiert.
Nach dem letzten Härtezyklus im Autoklaven kann des fertige Bauteil der Form entnommen
werden (Bild 0 -650). Besteht das Chassis aus zwei Teilen werden diese anschließend mitei-
nander verklebt. Bild 0 -67a . Es gibt auch Hersteller. die bcidc Formhälften im Autoklave n
gleichzeitig verkleben und aushärten. was die Festigkeit des gesa mten Rahmens nochmals
steigert. Nun kann das Monocoque mechanisch bearbeitet werden. Aufnahme- und Ver-
schraubungsstellen für Fahrwerk und Motor werd en an den mit Insert s und Verstärkungsla-
gen vorbereitete n Stellen gebohrt bzw. gefräst (Bild 0-67b ).
Bild 0 - 67 Fert ig st ellu n g eines Monocoques.
a Verkleben der Chassishälf ten
b Fert igbea rbe itetes M onOCOQue
Die wichtigsten Stadien zur Herstellung von dünnwandigen Bauteilen illustriert Bild 0 -6H
am Beispiel einer Sitzsch ale.
Monocoques können auch sepa rate Spanten zur Verste ifung der Schale nstruktur erhal-
ten. wie in Bild 0 -69 beschrieben wird.
Spanten können auch direkt in die Gestaltung der gesamten Struktur einbezogen sein
und so einen Teil der Überrollstruktur bilden. Bild 0-70 zeigt eine solche Lösung mit ring-
förmigen Schottwänden filr einen Produktionssportwagen. Der mittlere Spant (2) bildet so
einen Überrollbügel und die A-Säule gleichzeitig.
800 I
2 Bauarten
Bild 0-68 Her ste llprozess von lam inie rten Baute ilen.
In eine r Hcrz/kuoststott -Posmvtcrm (links) w ird die Negativ/ o r m aus CFK laminie rt. Nach dem Au sn ärt e n
kann diese der Mutterform entnommen werden (Mitte) und dient ihrerseits wiede r als Negativ/arm zum
Laminie ren des end gültigen We rks tüc ks (rechts). Im B ild sind jewe ils die . scr ön e n ' (glatten) Obe rfläche n
d er Teile zu sehen.
Bild 0-69 Anordnung von Spanten in einem Monocoqu e.
Zw ei Spa nten (1) und eine Schottwa nd (2) ver st eif en den vorde ren Bere ich des Coc kp its. Die Spanten
sind aus Aluminium oder aus CFK-Laminal. In die Spant en werden die Radkräfte über die Querlenker-
befestig ung en einge leitet.
o
1801
o Rahmen
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Bild 0-70
CFK -Monocoque eines Spor tproto -
typen m it g eschlosse nem Cockpit.
Zwe i ring förmige Scho llwände
b ilden die Überroustruktur,
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Schottwane hinten
2 Schott wand vorne
3 Bereich für den x rattstot tta nk
Abschließend einige Gestalt ungsregeln für Bauteile aus fase rverstärkte n Kunststoffen . Bild
0 ·71.
a: Die Festigkeit geben die Fasern in Fadenrichtung vor. Das Ha rz ist bloß Bindem aterial und
bei Biegu ng im Verhältnis z u den Fasern spröde. Harzansammlungen durch Querschnitts-
sprünge (1)oder enge Radien und Einbuchtungen (2), denen die Fasermatten wegen ihrer
Eige nsteifig keit n icht folgen (so gena n ntes hrülg ing), müsse n desh alb ver m iede n we rden .
b: An Kanten und Ecken kann die Fasermatte heim Laminieren brechen, wenn de r Radius
zu klein und der Biegewinkel zu groß sind. Große Radien undfließende Übergänge ver-
hinder n das.
e: Solle n die Baute ile hohe Biegesteifigkeit aufweisen. müssen über die zugsteifen Schich-
tcu mit abstandshaltenden. leichten Kernen Sandwichstrukturen aufgebaut werden. An
den Stellen , wo im fert igen Bauteil Verschraubungen vorgeno mmen werde n, müssen
Inscrts aus Metall. Holz oder CFK· Plalten in die Struktur ei nla min iert werde n.
d: Entformungssehrägen ermögliche n das zerstöru ngsfreie Lösen des Bauteils aus bzw, von
der Form . Die Neigu ngen solle n je nach Bauteiltiefe und Herstellver fahren mindestens
zwischen I :25 und 1: ]00 liegen.
e: Bohrunge n und Ausfräsungen sollen quer zu den Schichten angebracht werden. sonst
besteht die Gefah r des Dclaminicrcns.
f: G roßflächige Bautei lrände r solle n versteift werden. Dies geschieht m it entsprechender
Formgebung oder lokalen Verst ärk ungen.
2 Bauarten
vermeiden
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Bil d 0-71 Gestal tungsregeln für fa ser ver stärk te Kunststoff e. Erläuterungen siehe Text.
Bels ptele examples. Nachfolgend s ind ein ige Beispiele von ausgefü hrten CF K-Monocoq ues
zu sehen.
o
Bild 0 -72
CFK-Monocoque
(Dallara).
Solche Monocoques
werden in der IRL
eingesetzt.
Bild 0 -73
CFK-Monocoque (For-
me l Renault).
Dieses Monocoque
weist einen Aufbau m it
Spanten w ie in
Bild 0 -69 auf. Die
Motor anbindu nq an de r
Rückseite zeigt
Bild 0 -74.
180 3
o Rahmen
Bild 0 -74
Motoranbrnounq eines CF K-Monocoques (Formel
Rena ult).
Das Bild zeigt die Rückans icht des Monocoques
von Bild 0 -73. Der Motor wird mittels Ouerträ-
ger im Zylinder kopfbereich und d irekt im Ölwan-
n enb ereic h über d ie einlaminierten Inserts an d ie
Rüc kwand des Monocoques versen raue t (vgl. Bild
L-130). Einzelne Öffnungen für Scnattqestänqe,
Kraftstoftlenunqen . elektrischeLeitungen und Gas-
seilzug sind ebenfalls zu sehen, Außerdem ist die
Kleb efu ge zwischen Ober- und Unterteil des Chas-
s is zu er kennen.
3 Festigkeit Strength
Ocr Rah men muss eine hohe Festigkeit aufweise n. Er hält das Fah rzeug im wa hrste n Sinn
des Wortes zus am men und bildet d ie Überlebenszelle für den Fahre r. Nicht z uletzt desha lb
wird der Fah rzeugrumpf unterschiedlichen. von den ei nzel nen Reglements vorgesch rie-
benen Prüfungen unterzogen. Näheres daz u siehe Kapitel C 4 Prüf lingen.
Nebe n de r Festigkeit ist auc h eine geri nge Verfor mu ng bei Bela stunge n wichtig. Inte re s-
sa nt ist bei einem Rahm en vor alle m die Torsionssteifigkeit zwisc hen den Achse n. genaue r
zwischen den Einleitungsstelle n der ei nzelnen Vert ikalkrä fte der Räder. De r Rah men soll
gegenü ber einem Torsions moment um die Längsa chse möglichst stei f sein . da mit die Rei-
fen ihre vom Fahrwerkskonst rukteur gepla nte Stel lung zu r Fahrba hn einne hme n u nd da mit
Torsionsstabilis atoren in der gewü nschten Weise Radlasten verschieben können und ebe n
nicht den Rahmen verwinden. Als Biegesteifigkeit wird bei Rah men je ne um die horizon -
tale Achse (Y-Achse) betrachtet. als jene. die ftir die Biegung durch das Eigengewicht und
Radlasten maßgebend ist. Tabell e O~3 l iefert einen Vergleich von Steiligkeiten.
Ein bloßer Vergleich von Stcifigkcitswcrtc n unter sch iedliche r Fahrze uge ist alle rdi ngs
wenig aussagekräftig. Wenn noeh die aufgewendete Masse und die Größe in die Bettach-
tung einfließen . e rhält m an e inen objek tiveren Wer t. Dies gesch ieht beispielsweise mit de r
Leichtbaug üte L:
L= ('tsA
'"
L Leichba ugüte [(N m/Om 2)/(kg 1 (~1 )]
CiS Torsionsst eifigkei t des Rahmens [N m/O]
A Aufstandsfläche des Rah mens [m2]
m
Masse des Rahmens [kg]
8041
3 Festigkeit o
Tab . 0-3 Steifigkeiten von Bautei len bzw. Rahmen ve,'~'~'hc;c'~d~'c"c'cFcachc'~'c'"cg~,c'
~
Bieg esteif igkeit [019]
Mot orr adf elge
Telegab el Motorrad
Schwinge Moto rrad
Motorradrahmen Motor
ausgebaut. um z-Acnse
Mot orradrahmen Motor
eingebau t. um z-Ac nse
Hild 0 -75 zeigt die Tendenz der Leichtbaugüte über die letzten Jahre fiir Pkw-Rohkaros-
scncn.
0,300
~~0,275
~~0,250
•
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0 ,225
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0 ,175
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.-
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0,125
1992
1996
2000
2004
J ahr
Bil d 0-75 Leichtba ugüte von PKW n onkar o ssene n nach {002) .
Das Diagramm zeigt die Tend enz mit Streuband.
[aos
o Rahmen
4 Anbauteile Add-o n parts
Konsolen und Ha lter brackets and mounts. Der Rah men verbindet nicht nur die bei-
den Achsen miteinander. sondern trägt auch alle Anbauteile . Dazu gehören Kraftstoff- und
Öltanks . Flügel. Batterie. Steuergeräte. Teile des Abgassyste ms. Fcucrt öschcr usw. Zu r Befe-
stig ung dieser Komponenten werden meist Konsolen a n den Rahmen geschweißt, genietet
ode r geschraubt. Konsolen und Halter mögen einfache Teile sein. aber wenn sie versagen.
kan n da s dennoch zu einem Ausfall des Fahrzeugs im Renne n füh ren. Konsolen sollen also
wie alle anderen Bereiche des Fah rzeugs mit möglichst ger inger Masse ihre Funktion sicher
erfü llen. Bei der Gestaltung der Konso len ist zu beachten. d ass diese durch Besch leunig ung
(z. B. 1.5 g in Querrichtung) und Stöße das mehrfache Gewicht des Anbauteils ertrage n
müssen und das die Belastung meist schwinge nd sein wird.
Bei der Gestaltung von Haltern kann das Prinz ip der direkten Lastleitung vorteilhaft
a ng ewa nd t werden, siehe Ka pitel B 5 Altgemeine Konstruktionsprinzipien beim Entwerfen .
In Bild 0 -76 sind f ür geschweißte Lasc hen einige Hin we ise zusa m menges tellt.
a: Die Nahtw urz el von Schwe iß nähten soll nicht in der Zugzone liegen. Die siche rste
Schwe ißverbindung vor allem bei dyn amischer Belastu ng stellt die Stu mpfnaht da r. Bei
dynamis ch beanspr uchten einse itigen Kohln ähten wirkt sich die Krafttlussum lenk ung
beso nders fes tig keits min dernd au s. Wese ntl ich besser sind d oppelseitige Nähte. d ie als
Hohlkohln ähte a usgeführt sind.
b: Dur ch eine Nahtverlängerung in d er Zugzone k ann die Trag fähigkeit erhöht werde n.
Durch einen 'l-Oucrschn itt wird die Beanspruchung in der Zugzo ne der einseit ig bcla-
ste ten Konso le gesenk t.
c: Allgemein soll mit Schweiß nähten spars am umgega ngen werden. Verz ug und Eigen-
span nunge n bleiben so geri ng. Konsolen können so aus einem Band abkantet werden und
dann erst a ngeschweißt werde n. Das ist leichter u nd stel lt mit wen iger Schweißnä hten
dasselbe Ergebnis zur Verfügu ng wie der Aufbau aus einzel nen Blechen.
d: Offene Profile wird man zwar im Rahmenbau schon wegen ihre r ungünstigen Torsions-
steifigkeit vermeiden, soll dennoch eine Lasche angebracht werden, muss der Schubmit-
telpu nkt M des Profils beachtet werden . Gre ift die Kraft im Schwe rpunk t S des Quer-
schnitts an. entste ht ein Torsions mo ment T. Diese zusätzliche Beanspruchung wird ver-
mieden, wenn die Kraft im Schubmittelpu nkt angreift.
e : Wird eine Lasche an einem Hohlprofil angeschweißt. muss für ei ne gesc hickte Kraft-
einleitu ng gesorgt werde n. Ein Durch stecken der Lasc he durch das Profilroh r verhindert
Rissbildu ng (Pfeil) in de r Zugzone und belastet auch nicht nur die biegeweic he Wand des
Rohres.
f: Werde n Konso len an eine Wand angeschwe ißt. so solle n d ie Ke hlnä hte nicht n u r a ufZug
belastet werden . Dies wird erreicht durc h Gest alten von Einzellasc hen. die länge re Nähte
aufweisen. die vor allem über Schub die Zugk räfte der Konsole auf die Wand übcrtra-
gen.
Wird die Festigkeit von Leichtmeta111 egieru ngen durch den Wärmeeintrag beim Schwci-
ßen beeint rächtigt oder treffen unterschiedliche Werkstoffe aufeina nder, kommt nur Nieten
(riw/ing) und/oder Kleben zur Verbindung in Frage. Der Nietdurchmesser d (ß ild O~77)
4 Anbauteile
vermeiden
bevorzug en
ve rmeiden
bevorzugen
---
---
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Bi ld 0-76 Konsolen und Halter.
Gestaltungsh inweise für geschwe ißte Konsol en. Erläuterungen siehe Text.
zu d S Sc hwerpunkt des Profilquerschnilts. M Schubm ittelpunkt des Profils.
richtet sich nach de r klei nsten Su m me ' min der Blechdicken. die in gleicher Richtung durch
den Loch lcibu ngsdruck belast et werden. und ist:
d -= 2' ' min + 2 für einschnittige Verbindunge n d Nietdurchmesse r [mm]
d-= Imin+2
für zweischnittige Verbind unge n 'min Summe maßgebender Blcchdi-
ckcn [rnm]
Bil d 0-77 Niete Beg riffe .
a einschnittige Verbindung , tm,n - t,
b zweischn ittige Verbindung, Imi n - I, + 12 ode r tm,n - 13 je nach Größe de r tatsäch lichen Blechd icken
Bei Laschen. die an Wände angenietet werden . kommt es durch ungleich e Bauteildehnung
zu ungleicher Kraftvert eilu ng auf die Niete. Der erste Niet in Kraftrichtung erfahrt eine
höhere Beanspruchung als dahinter liegend e. Äuße re Niete a n den Enden übertragen grö-
ßere Kräfte als in der Blechmitte sitzende. Daru m sollen nicht mehr als 5 bis 6 Niete in
Kraft richtung hinte rein ander angeordnet werde n und wenn mehr Niete au s Grü nden der
Trag fähigkeit gebraucht werde n. mü ssen diese versetzt aufgeteilt werde n. Bild 0-78.
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Niete so llen nicht d irekt eine r Zugbelastung ausgesetzt werde n, sondern auf Sch ub bean -
sprucht werden. Die Lösung von Hild 0-793 ist also zu meiden und die Variante 0 -79h vor
alle m bei g roßen dynam ischen Kräften zu bevorzugen.
Generell sollen Halter so gestaltet werden. dass die Kräfte möglichst großflächig einge-
leitet werde n und d a ss keine Steifigke itssp r ünge a uftre ten. Bild O-R O.
Steife Behälterbefestig ungen f ühr en bei dy nam ische r Belas tu ng u nd dir ekter An bin du ng
an den Rahmen zu Rissbildu ng (3. Pfeil). Dies ka nn durch eine Entlastungssicke (b. Pfeil)
in der Befestigungslasche verhin de rt werde n. Auch wenn Kräfte örtlich eingeleitet werd en,
können Konsolen so ausgebildet werde n. dass diese auf ein en großen Bereich verte ilt vorn
Rahme n aufgenomme n werden (c).
b
Bild 0 -79
Konsol en an Wand genietet.
a Niete auf Zug beansprucht:
Vermeiden
b zu be.... orzuqenoe Ano rdn ung
der Niete
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a
b
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•
•
Bild 0 -80 Festigkeitsgerech te Gestaltung .... on Konso len.
a Behälterbefestigung mit Steiüqkettssprunq
b Behälte rbefestigung mit Ennastunqssic ke
c Konsole mit großfläc higer Krafteinleitung
8081
4 Anbaut eile
Kleben (honding ) weist gegenüber Schweißen und Nieten einige Vorteile auf. Es kommt z u
keiner Gefüge ände ru ng de r beteiligten Metalle durch de n ge ringe n Wärmeeintrag. Dadur c h
treten auch weder Verzug noch Eigenspannungen auf. Die Kerbwirkun g de r Klebestelle ist
so gering und die Kräfte werden auf so große Bereiche verteilt. dass wesentlich günstiger
dimension ie rt we rde n ka nn. Außerde m können a uch unte rschiedlic he We rkstoffe, a lso auch
Kunststoffe mit Metallen verbunden werden. Allerdings kommen der Vorbereitu ng der Füge-
stellen und de r Auswahl des geeigneten Klebstoffs eine große Bedeutu ng zu. Prinzipiell sol-
len die Klebeste llen so gest alte t werde n. dass der Kleber durch die ä ußeren Last en Schub-
und Druckbea nspruchu ng er fäh rt. Zug- und Schälbe a nspr uchungen müsse n im Sinne eine r
Daue rhaltbarkeit vermieden we rden. Einige gr undlege nde Gestaltungs hinweise fu r Klebe -
verbi ndungen sind im Bild 0 -81 zusammengestellt.
vermeiden
bevorzugen
vermeide n
bevor zugen
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Bi ld 0-81 Gestaltungsh inweise für Klebeverbind unqen. Erläuterungen siehe Text
a: Die Verbindungsflächen müssen ausreichend dime nsioniert werde n. Die Stoßstellen kön-
nen geschäftet werden oder man verwendet zusätzliche Leisten.
b: Bei einseitig überlappenden Verbindunge n treten auch bei reinen Zugk räften zusätz-
liche Biegemomente auf. Diese können durch symmetrische Gestaltung der Verbindung
ve r miede n werde n. Daeh för m ige Profilleiste n redu zie ren den S tcifigkcits spru ng durch
s chroffe Qu er schnitt serh öhung.
c: Bei Win kelverbindunge n t rete n Schälbea nspr uchu ngen au f, wenn die Verbindung nicht
beanspru chungsgerecht gesta ltet wi rd .
d : Abschälen kan n durch zusätz liche Winkelle isren verhindert w erden . Dasselbe erreicht
man dur ch Kombinationen von Verbindungstechniken. z . B. Klammern oder Nieten und
Klebe n.
c: Die Ausführung des Überlappungse ndes bei Klebeverbindungen hat einen mark anten
Einfluss aufdie Festigkeit. Untersuchungen haben gezeigt. dass Verbindungen mit Kehl-
rand bestimmte Schwingbcanspruchungcn etwa um den Faktor zehn länger ertrage n. als
Aus führ unge n mit bündi gem Kleberab schl uss (0 12].
f: Eckverbindungen müssen mit beso nderer Sorgfalt gestaltet ....e rden. weil meist Zugbea n-
spruchungen und Biegemomente auftreten. Durch geschickte Anordnung von mehreren
Klebelagen kann die Tragfähigkeit gesteigert werden . Die Belastbarkeit der Eckverbin-
dungen ist in Prozent angegebe n. Allerdings darf der Aufwand nicht zu hoch getriebe n
werden. de nn sonst kann Schweiße n gewichtsgünstigcr sein.
o
180 9
o Rahmen
Bergehilfen towing systems. Zum raschen Bergen und Entfernen von der Strecke verun-
fallter oder "liegen" gebliebener Fahrze ugen dienen Ösen und Aufnahmen. die von den
Streckenposte n leicht erkannt werden müssen. Sie sind in Signalfarbe n (gelb, orange ode r
rot) gehalten und mit Aufklebern geke nnze ichnet. Die Aufnahmen müssen imsta nde sei n
das anteils mäß ige Fahrzeuggewicht zu t ragen.
Mit eine r Hebevorric htung nach Bild 0-82 werden Fahrze uge z. 8. von St recke nposten
angehoben und rasch von der Strecke gezogen oder das Fahrze ug wird damit zum Räder-
wechseI angehoben.
Wie die Auf nahme für einen solchen Schne llheber a ussieht zeigt Bild 0 -83.
Bild 0-82
Schnel lwagenheber (quick jack) für das Fahrze ug -
neck.
Mit d ieser Vorrichtung ka nn eine Person alle in einen
Wagen anheben und du rch Um legen des Hebers
auf den Boden gleichzeit ig stab il au fbocken . Dazu
sch ließt die Hebegabe l (1) einen spitzen Winkel mit
dem Büge l (2) ein . D er Büge lq uergr iff (3) w iederum
is t aus der Bügelebene abge kn ickt. dam it man ihn
auch bei am Boden liegenden SChnellheber gut
fassen kann.
Bild 0 -83
Aufnahme für den Schnel lhebe r
an einem Formel-3000 -Wagen-
hec k.
An die schmale t ragende Struktu r
sind zwe i gabe lförm ige Laschen
befes tigt. in die der Schne llhe -
ber eing reift. Außerdem ist de r
Diffusor nach dem Getrie be zu
sehen.
Absc hlepp ösen towing eye. Abschlepp ösen werde n an Toure n- und Produktion sspor t wa-
gen am vorderen und hinteren Fahrzeugende a ngebracht. Sie müssen Innen einen Mindest-
durch mcsscr zwischen 80 und 100 mm aufweisen. Die Blechstärke muss bei Stahl min-
destens 5 mm betragen. Die Ösen müssen direkt über ein steifes Metallele ment mit der
Hauptstruktur verbunde n sein. Seile ode r ähnliches sind also nicht gestattet.
4 Anbauteile
Bild 0-84
Absc hleppöse towing eye.
Die Öse wird am vorde ren und hinte ren Ende an den Rahmen
von Tourenwagen und Produkt ionsspo rtwagen gesch raubt.
o
Teilweise werden auch Elemente der Überrollstruktur zum Bergen von verunfallten Fahr-
zeugen herangezogen. D<lZU muss das Überrollelement allerdings ein mal für eine ei nfache
Befestigu ng mit Hebezeug geeignet sein. D<lS ist z. B. bei bügclförm igen Elementen der
Fall. Weiters muss der Hersteller des Fah rzeugs der Ren nleitung seine Einwilligung zu ei ner
solchen Verwe ndung der Überrollstruktur inschriftlic her Form überlassen.
Elektrik
Electrical system
1
p
Das elektrisc he System eines Rennwagens war ein mal au f ei nen Gener ator, gegebe nen-
falls einen Starter und das Zündsyste m sa mt einige r Kabel beschränkt. Mit de r Zuna hme
elektronischer Hilfen und Messwerterfassung hat auch die Elektrik so stark an Bede utung
gewonnen. dass ihre Konst r ukt ion u nd Funk nonsabsichcru ng ge nauso ei ne n Rau m in de r
Entwicklung einnimmt wie a nderer Baugruppen.
p Elektrik
1 Verkabelung Übersicht Wiring overview
Der Kabelbaum ist me ist Teil des Fahrzeugs konzepts. weil er relat iv schwer und oft mals
Grund für Zuver lässigkeits probleme ist. Sogar bei Ser ienfahrzeugen ma cht die Elekt rik oft
Probleme. alle rdings ist hier der Fehler vor alle m an de n Schnittst ellen (= Stecker, Anschl üs-
se und Scha lte r) zu suc he n. Die Verkabelu ng wi rd prinzipiell relat iv einfach gehalten. Je
komple xe r de r Kabelba um. desto a ufwändiger d ie Fehlersuc he und desto wah rscheinlic he r
ein Fehle r. Bei einigen Fahrze uge n werde n nicht einmal Sicher unge n vorgesehen. weil die
St röme de r motor sc itigc n Generatoren relat iv k lein sind [P02] .
Bei Schalter und Steckverbind ungen wird wegen ih rer Z uverläss igke it gerne auf Pro -
dukte der Luftfahrtindustrie zurückgegriffen.
Für Motorsteuergeräte und ähnliche Recheneinheiten. die gekühlt werden müssen. bieten
sich die Luftschächte zu den Wärmetau schen an. In diesen können sie tief angeordnet im
Lufteint rittsbereich sitzen . Ihre gute Zugä nglichkeit ist dadurch auch gegeb en. vgl. Bild
E-68. Steuergeräte sind in einem sta ub- und wasse rdichtem Aluminium- oder Magnesium -
gehäuse unte rgebra cht und weise n Ansch lüsse fü r Stec ker nach Luftfahrtstandards ode r
m ilitärisc he n Norme n au f.
Bil d P- 1 Elektrisches System eines Renntahrzeuqs.
1 Batterie battery
2 A rmat urentafelverkabel ung dashboard wiring
3 Cockpitanzeige dashboard
4 Lenkradverkabe lung steering whee! wiring
5 el. Ansch luss für Feuerlösche r
extinguisher wiring
6 et Ansch luss Rahmen frame wiring
7 ärems-zaöckucnt brakeltai! light
8 Start eranschloss stsrter wiring
9 Motoranschluss engine wiring
10 Steuergerät contral unit
11 Batter iehauptschal ter battery ma in switch
12 Schaltgerät switchgear
13 Batteriemasseanschluss battery earth wiring
2 Batt erie
p
Bild P· 2
Motorsteuerge räte .
a Steue rgerät der DTM
b Steue rgerät für Rennserie in den USA
(Grand Am )
2 Batterie Battery
Batter ien versorgen elektr ische Kraftstoffpumpe (Start. Langs amfa hrt] , elektronische Zün -
dung u nd Kra ftstoffei nsp ritzsyste m sam t Bordrechner m it Ene rgie. Fü r de n Motorst art gib t
es unterschiedliche Überleg ungen bzw, Reglements, so dass die Batterie nicht injcdcm Fall
die Ene rgie f ü r den Starte rmotor be reitstellen mus s . In ma nc hen Fah rzeugen sind Sta rte r-
motore n entwede r gar nicht fah rzc ugscitig vo rgese hen oder werde n übe r Dr uck luftbe hälter
gespeist. A ndere Fah rzeuge müssen zwar ohne fre mde Hilfe starten kön nen. nutzen je doch
für den Erststart bzw. zu m A nlassen in der Box exte rne Spannungsquellen. d ie die Bordbat -
te rie sc honen bz w. sogar au flade n.
Elektrisc he Schutzsysteme (Feuerlösche r, Luftflaschc ] müsscn aus Siche rhe usgründe n
übc r eine eige ne Energie quelle ve rfügen.
Bei Re n nfa hrzeugen wer de n geschlosse ne u nd wa rtu ngsfre ie Batt e r ien verwendet. d ie in
je der Lage ei ngebaut werden können. Trotz de m sind vo llständig d icht umschließe nde . nic ht
leitende Behälte r. z .B. aus GFK, vorgeschrieben, wenn die Batterie im Fah rzeuginnenraum
u ntergebracht ist.
Die Batteriebefestig ung muss die Besc hleu nigu ngen d er Fahr manöve r e rt rage n können
und die elektr ische n Ansch lüsse dürfen sich nicht lösen. Trotzde m solltc die Batterie ei n-
fach und rasch a uszubauen sein.damit s ie regelm äßig gewartet (gelad e n) werden ka nn .
Die Kapazität der Batte rien wird relat iv klein gewäh lt um die Masse nieder zu halten . Meist
re ichen Moto rradbatterien aus. Selbst in de r Formel I wurden noch in de n lvxuc r-Jahrcn
zwei e-v -Motorrad battc ric n eingesetzt. wenn Lu ftanl asser für d ie Moto ren verwendet wu r-
den [P02].
p Elektrik
Tab . P -1 Bat terien für Renn fahrzeuge.
Einsat z
Spa n-
nung [V]
Kapazi-
tät [Ahl
Ab mes-
sungen [mm)
Masse
[kg]
Type
Bemerkun g
Motorrad
12
8
152 x 88 x 106 ca. 3-4 YTX9-BS wartungsfrei (Gel-
tectmtkj: Beliebige
Einba ulage
Formel König ,
AOAC, Ford
12
15
181 x76x167
6.0
HP15-12W ausla utsicher.
BildP-3
Bild P·3
Batterie für Formelwagen , wie Formel ADAC.
Formel Kö ni g etc.
3 Generator A lterna tor
Eine klei ne Lichtmaschi ne wi rd di rekt vom Motor anget riebe n u nd versorgt dive rse elek-
t r ische Pumpe n und das Z ündsystem. Bei Sprintbewerben ist zu pr üfen. ob überhau pt ein
Genera to r benötigt wird oder ob die Kapazität einer Batterie allei ne ausreicht um alle Ver-
braucher für die Dauer des Rennens zu versorge n. Bei längeren Bewe rben zahl t sieh ein
Bordgene rator auf alle Fälle aus. aueh wenn er bedingt durch die Wirk ungsgrade seines
Antriebs und seines W irkprinzips zu de n Leis tungs verluste n des Mot ors beit rägt. Batterien
zeigen eine n Spannungsabfall bei Srromcnrnab mc. der dazu führen kann. dass empfindliehe
vcrbra ucbcr tj-totorstcuc rgcrä r. Kraftstoffpu mpe. ...) ihre Funktion nieht mehr einwan d frei
erfüllen. Dauert das Rennen länge r als gedac ht (gelbe Flagge. Unfall, . . .) oder benötigt man
meh r Energie als gepla nt (Motorstarts naeh Dreher) , kann da s bei Spann ungs versorgu ng
durch die Batterie allein zu eine m Ausfall führen.
In der Formel 3 beispielsweise ist kein Generator am Motor vorhanden und die Fahrer
verlasse n sieh allein auf die Bordbatt erie. d ie den Energiebedarf über eine Renndista nz
dec kt IP03].
Für die ext rem hochdrehenden Motoren der For mel I kommen äußerst kleine (z. B. Durch-
messer 62 mm mal cx.S rnm Länge) zum Einsatz [P04]. Sie liefern einen Strom von 41 A bei
9000 min- I und sind bis über 12500 min -I drehzahlfest. Bild P-4 .
4 Leitungen und Verbind ung en
p
Bild P-4
Generator an einem VlO -
Moto r [Ferrari For m el l).
Der Gene rato r sitzt außen
am unt eren, r echten Ku rbel-
gehäuseabs chluss u nd wird
direkt von der Ölzentrifuge
angetriebe n . Am sicht baren
offenen Generatorflansch
wird die Hydraulikpumpe
angebrach t.
4 Leitungen und Verbindungen Leads and connec tors
Grundsätzlich sollten mögl ich st viele Elemente de r Verkabe lu ng wege n ihre r hohen Masse
mögl ichst tiefi m Fahr zeug angeo rdnet werden . Jede r Verbra ucher soll auch mit einer geeig-
neten Leitung direkt an die Fahrzeugm asse angeschlossen sein.
Leitunge n wires. Leitungen müssen saube r verlegt und befestigt sein . Scheuern oder Kon-
takt mit beweg lichen Teilen ist unbedingt zu vermeiden . Ebenso heikel und daher unbe-
dingt zu meiden ist Nähe zu heißen Teilen (Abgasrohr. Bremse ....). Kabel. die zu beweg-
lichen Teilen führen. kön nen in Wollroh ren geschützt gehalte n werde n. Sie müssen auch
ausreichend lang sein. damit sie sämtliche Bewegungen ohne Dehnu ng m itm achen können.
Im Extremfall helfen sch raubc nfö rrnigc Kabelabsc hnitte. die sich bei der Zur ückbeweg ung
wieder z usa mme nziehen.
Treten Leitungen durch Schottwä nde hindurch. können die Kabel mit Gummi- oder
Ku ns tstoffkrage n (grom mels) wirku ngsvo ll gesch ützt werde n.
Für manche Leitungen sind bestimmte Farbcodes vorgesc hrieben. So m uss das Batte-
rie masse kabel gelb sein. Aber auch filr ande re Leitungen sind Codicrungcn vorteilhaft. Sie
erleichtern die Fehlersuche. die gerade bei Rennfah rzeugen oft rasch und in ungemütlicher
Umgebung (im Freie n, ... ) erfolgen muss.
Zur Verbindung elektrischer Kontaktpart ner ist das Cri mpcn (v crprcsscn) besser geeig-
net als Löten. Die Lötstellen haben sich als empfindlich gege nüber Schwi ngbea nspruc hung
erw iesen . 90 % der Zuverlässigkeitsp robleme von Motor steuergeräten si nd auf schlechte
Kontaktierung zu rückzu führen [POl].
Steck ver bindu nge n plug and socket conneclor. Die mech anischen Verbindungen bei elek-
trischen Syste me n stel len auch bei Serienfahrzeugen eine de r Hauptausfallursachen dar. Im
Rennsport haben sich Steck verbindungen aus der Luftfah rtindustrie bewährt. Diese dichten
die elektrischen Kontakte gege n Feuchtigkeit ab und gewährleisten über Überwu rfmuttern
o. ä. auch eine zu verlässige mechanische Verbindung. Besieht zwischen de n elektr ischen
Konta ktpartnern näml ich Spiel. führt dies beso nders bei " fliegenden" Steckverbindu ngen
durch Reibkorrosio n z ur Bildung von Passungsrost und dam it unweige rlich zu elektr isch en
Proble men durch veränderten Überga ngswiderst and.
1817
p Elektrik
Bild P-S
Vielpo liger Stecker an einem
Motor (Ferrari, Formell).
Der Stecke r ist mechanisch co -
diert (nur eine Steckpos ilion
möglich) und mit einem Baio-
nettversemuss versehen, so dass
er auch formschlüssig gehalten
w ird. A ußerdem d ichtet der Ste -
c ker im gefügten Zustand da s
Gehäuse nach außen ab.
Elekt ronische Ge räte re ag iere n e mpfindlich auf Wär me und Schwi ng unge n. Sie sollten
daher schw ingu ngsisol iert gelagert werden und a n einer Stelle, wo die Wärme durch Luft
abgeführt werden kan n. Einfac he Scbwing ungsc nt kopplcr bestehe n meis t aus Elastomc r
und sind au s diesem G rund nicht leitend. Diese Geräte müssen dahe r mit eine r eigenen
Le it ung an die Fahrzeugmasse angeschl osse n werden . Ebenso e mpfiehlt es sich die Arma-
turcntafel schwingungsisolicrt am Fahrzcug anz ubringcn.
5 Schalter Switch es
Ein Ha uptsc halt e r muss s ämtliche ele ktr ische Verbra ucher. au ße r eventuell eine n vorhan-
denen elektrischen Feuerlöscher. unterbrechen können. Die Art seiner Bctätig ung muss ein-
fach zu erfassen sein. damit sie vonjederman n im Ern stfall rasch erkan nt wird .
Aus Sicherheitsgr ünden muss die Zündung vom Fahrerplatz aus abgcsehaltcn werden
können . ebens o die Kra ftstoffpu mpc .
Bild P- 6
Hauptscha lter.
Das Schaltergehäuse wird auf einer Wand ver sch raubt. Die Betä-
tigung erfolgt mit einem roten Griff durch eine Vier teldrehung . Der
Griff d ieses Schalte rs kann ähnl ich einem Zündschlüsse l abgezo-
gen werden.
6 Sc haltp lan
p
Bil d P-7
Scha lter und Stec ker in einem
offenen Cockpit eines Le Mans
Prototypen (Audi R8S).
Diese Abdec kung aus CFK ist an
de r Cockpitwand montie rt. Damit
ist sie vom Fahrer und von außen
zu e rreichen.
6 Schaltplan Circuit diagram
Die Scha ltplä ne werde n möglichst ei nfach gehalte n. Sicheru ngen we rden kau m ei ngepla nt.
Einen Grundschaltplan mit vorgeschriebene m Hauptschalter und einer Sta rterbatte rie an
Bord zc igt Bild P-H.
Wenn es das Regleme nt ges tatt et. sind exte rne Starterbatte rien zu be vorzu ge n. Sie scho-
nen die Bordbatterie (zumindest. wenn ihre Spannung höher ist jene der Bordbatterie. im
andere n Fall e nt lädt sie die Bauer ich und kön nen wesentlich schwe rer sein. Verbrennu ngs-
motoren brauc hen auch eine gewisse Starterdrehzahl z um sicheren Starten. scho n aus dem
Gru nd ist eine Starterbatterie mit großer Kapaz ität von Vor te il. Die Verbindu ng zw ischen
externe r Batterie und Bordnetz erfolgt über eine n großen Stecker. der fllr große Ströme
geeig net ist und nicht verpolt werden kann. lst der Stecker im Sichtbere ich des Fahre rs. lässt
sich de r ärgerliche Fall ein fach vermei den. dass der Fahrer mit de r a ngesteckte n Starterbat-
te rie losf ährt. Einen Schaltp lan da zu liefert Bild 1~-9.
6
2
o,
5
Bil d P-S Gr undschaltplan mit fahr zeug seitiger Batterie. nach [P01).
1 Hauptschalter master switch
2 Batterie berlery
3 An lasser starter
4 Einzugswicklung soeroa
5 federbelas teter Anlasserknopf springloaded starrer button
6 zu weiteren Verbrauchern rc further consumers
p Elektrik
-
o
2
o
+
5
Bil d P- 9 Grundschallplan mi t externer Starterbatter ie. n ach [POl ].
1 Verbindungsstecker jump plug
2 externe Starte rb atterie externa/ s tarting battery
3 Anlasser stsner
4 Einzugsw icklung saeooa
5 federbelasteter An lasser k nop f spring loaded sterter bu tton
6 Erdung zu M ot o rl Rahmen eertn to engineJchassis
Während der Fahrt kan n de r Fahrer kaum alle Signale verarbeiten. die ihm auf der Strecke
und auf dem Armaturenbrett geboten werden . Nebe n der Drehzahl ist auch der Öldruck
ru f den Motor " lebenswichtig" , Eine einfache Schaltung aktiviert bei laufendem Moto r ein
Warnlicht. sobald der Öldruck unter einen gewissen Wert fällt. Bild P-IO.
Wird das Relais (3) bcstr omt. werden die Kontakte A verbunden und somit si nd die
Kraftstoffpumpe (7) und das Zündsystem (6) mit Energie versorgt. Wenn der Motor abge-
stellt wird oder der Öldruck unter 2,4 bar sinkt, schaltet das Relais auf die Kontakte B um
und das Warnlicht (4) leuchtet.
Zum Starte n wird der Zündschalter (1) in Stellung •.ein" gebracht, das Warnlicht leuehret
und der Startknopf (2) kann betätigt werden. Wenn de r Öldruck 2,4 bur- erreicht hat, erlis cht
das Warnl icht u nd der Sta rte rknopf wirdlosgelasse n.
-taV
1
• aus
ein
3
A
B
'"'
7
6
Bil d P- 10 Moto rschutzscha ltung für laufe nden M ot or, nach [POt ].
1 z öooecreue r igmtion switch
2 federbelasteter Anla ss er schalte r spring loaded starter switch
3 Relais re/ay
4 Warn leuch le waming light
5 Öioruckscnerter 2,4 ba r oil p ressu re switch 35 psi
6 Zündsys tem ignition system
7 Kraf ISloffpumpe(n) fuel pump(s)
Abstimmung und Entwicklung
Set-up and development
Die Abstimmung - J as Set-Ur - ist zwar nicht Aufgabe des Konstrukteurs. ein kurzer
Abriss dieser Tätigkeit eines Ren nteams soll jedoch z umindest eine Vorstellung liefern.
was wie oft an einem Fahrzeug geände rt wird und wie entsc heidend für ein Rennfahrzeug
die leichte sowie schnelle und gczicltc Einstellbark en von bestimmten Größen ist. Für diese
wichtige Ändc rbarkcit muss eben de r Konstrukteur durch entsprechende Gesta ltung und
Anordnung der Teile sorgen. Fah rzeugi ngenieure und Mechaniker können " nur" noch an
J en vorgese henen Stellschrauben d rehe n oder Komponenten, wie Stabilisato ren oder Feder-
Dämpfersysteme . t ausc he n.
Q
Q Abstim mung und Entwicklung
1 Einleitung Intro duc tion
Ren nfa h rzeuge zeichnet eine leichte Ändcrba rkci t ihr er Abstimmung im Verg leich zu ih re n
Serienpendants aus. Wodu rch kommt es nun überhaupt zu dem Wunsc h d ie Abst immu ng
eines Wagens zu ändern '! Ein erster grobe r Untersch ied bei de r Absti mmu ng ergib t sich
durch den Einsatzzweck des Renn fah rzeugs: Qu a lifying, Einzelzeitfah ren. Sprint. La ng-
strecke nrennen. Berg rennen usw, Ein weiterer Punkt ist d ie Renns trecke selbst . gcnauc r
die Strecke nbesch affen heit: As pha lt ode r Schotter, vorherrschend wellig oder ebe n. enge
oder schnelle Kurve n, viele oder wenige Geraden usw. Und das Fahrzeug muss auf die vor-
he rrschen den Witterungsbedingungen e inges tellt we rde n: War m. ka lt. troc ken. Regen usw .
Erschwe rend kommt hin zu das all das auch nur ein Kompromiss sein kann. weil sich Bedin-
gungen während eines Rennens laufend ände rn: Es werden schnelle und langsame Kurven
d u rchfahre n. der Wagen is t allei n ode r im Windschatten ei nes vorausfahrenden Fa h rz eu gs
unte rwegs. d er K ra ftstofftank verliert a n Masse. die Reifen a n Seitensteifigkeit u nd die
Fahrbahn wird von Sand befreit und/oder mit Reifenab rieb belegt. die Strecke trocknet nach
Regen auf oder es beginnt zu regnen. in der Nacht kühlt die Luft und die Fahrb ahn ab usw.
Eine Feina bst im mung hat großen Einfluss au f die Konkurrenzfä higk eit also Sieg fäh igkeit
eines Fah rzeugs. insbesondere in de n Klassen. wo sämtliche Fahrzeuge technisch ähn lich
oder überhaupt gleich sind. Dazu gehö ren alle Marken-C ups und Einsteig er- Formel-Se rien .
Auße rdem wird das Re n nfa hrzeug basierend auf Tests , Schwachst el le nan alyse n u nd Renn-
ergebnissen gezielt weiterentw icke lt werde n.
Das Ziel einer Abstimmung ist es, fllr einen best immten Fahrer das Fahrzeug für die zu
fa h re nd e Rennstrecke u nd die he r rsc henden Witterungsbedingunge n m it m ög lic hs t neutra -
lem Fahrverhalten. bestmöglicher Reifenhaft ung und kont rollic rbarcr Leistu ngse ntfaltu ng
zu r Verfügung z u stellen. Rein theoretisch ließe sich über die Vielzahl der im Fahrzeug vor-
hand enen Sensoren und basierend au f Sim ulations rech nung en objektiv die beste Abstim-
m u ng für eine St recke . a lso jene die zur k ürzesten Ru ndenzeit fü hrt er mitteln. Pra kt is ch
steht dem entgegen. dass Fahre r unterschiedliche Fahrstile und Vorlieben haben. was im
Ext remfall dazu füh ren kann. dass ein Fahrer mit dem "schnelleren" Setup langsa mer ist als
m it seiner Wunsc habsti mmu ng und in einer Grenzsi tuation womög lich die Kontrolle über
den Wagen verliert. Mitunter machen Teamkollegen ge rtau diese Erfahrung. wenn sie mit
demselben Wage n fahre n, m it dem ihr Kollege soeben ei ne Bestzeit aufgestellt hat und sie
das Fahrzeug als .am fahrbar" einstu fen.
Jede Streckenabstim mu ng geht im Nor ma lfall vo n ei ner Basisabst im mung aus. Diese
wir d mi t dem Vorte il mehr verfügbarer Ze it und um fang reicherer Möglic hke iten auf einer
geeigneten Teststrecke er mittelt. So eine Basisabst immung stellt sicher. dass alle Räder in
die gew ünschte Ric htu ng weisen. bes onde rs rel at iv z uei nander. d as s d ie Bodenabstände des
bel aden en Fahrzeugs vorne u nd hinten d ie gew ü nschten Werte au fweisen u nd dass die R ad-
lasten des fa h rbe reiten Wage ns g leichmäßig in nerha lb des Rad paars ei ner Achse aufgete ilt
sind.
Serienfahrzeuge weisen auc h eine Abst immung auf. Diese wird alle rdings in der Regel nicht
mehr geändert, sie muss also ein weit reichender Kompromiss sein . Auße rdem müssen die-
se Fah rzeuge für den Du rchschni ttsfahre r geeig net se in. Die Auslegung zie lt deshalb au f
unt ers teu ernd es Fahrverhalte n in jeder Fa hrsituation ab , was stabiles Fah rverha lte n bei allen
Geschwindigkeiten s iche rste llt. Bei Fah rze ugen der obersten Preis ka tegorie w ird ne uerd ings
2 Einflussfaktoren
die Möglichkeit gebote n über elekt ronisc he Beeinfluss ung von Moto rste ue ru ng und Däm p-
fern das Fahrverhalten sprichwörtlich auf Knopfdruck zu ändern. So kann zwische n einer
sport liche n und eine r komfortor ientierten Absti mmung gewä hlt werde n ode r im Winter lässt
sieh eine an die widrigen Witterungsverhältnisse angepasste Abstimmung abr ufen.
2 Einflussfaktore n Influenc ing factars
Dic Fahrleistunge n könncn in folge nde Bereiche ei ngete ilt werden [QOIJ:
a) Besch leunigu ng acceteration .
b) Bremse n hruking,
e) Kurvenfah rt comering.
d] Fahrba rkcit driveahility,
e) Höchstgeschwi ndigkeit top speed.
Tab elle Q- I listct diese zusa mmen mit Kriterien auf. welche die Fahrleistunge n ma ßgeb-
lich beei nfl ussen. Die Kriterien . d ie a m meiste n Bereiche beei nflusse n. sind unterst r ichen.
Das sagt zwar nic hts über de re n Bi nflusshöhe aus. zeigt abe r welche Kriterien z umi ndes t
z uerst behande lt werde n sollen . Nachfo lgend werde n diese Einflussfaktoren ei nzel n. der
Reihe nach betrachtet.
v tas scnre dukttcn maß reductlon, Eine Ge wichtse rsparn is verbessert beinahe s ämtl iche
Bereic he der Fahrleistu nge n. Soga r die Fahrbarkeit w ird me rklich beei nflusst. Ein leichte re r
Wage n reagiert rascher auf Fahrerei ngabe n. weil d ie erfo rderliche n Kräfte für Bewegu ngs-
Tab. Q-1 Einflüsse auf die Fahrleistungen driving performance [001)
Q
~ahrleistung Beschle u -
Bremsen
Kurven-
nigung
lahrt
K riterium
Fah rbar-
Höc hst-
ken
geschwin-
digkeit
•
•
Leistung an den Antriebsrädern
•
Masse
•
•
•
Reifen
•
•
•
Getr iebeabstufung
•
Rad aufhängung sg eom etri e
•
•
•
Fahrzeug Ausgewogenhe it.
•
•
•
Fah r verhalten
Aerodynamik
•
•
•
Bremsle istung
•
Schwe rpun k thöhe
•
Moto relastizität
•
Ergonom ie
Rollwid erstand
•
•
•
•
•
•
Q Abstim mung und Entwicklung
ündcr ungcn kleiner sind und die resultierenden Beschleu nigu ngen verbunde n mit der gerin-
geren Masse g rößer sind (Masscnträghcit).
Die Reduktion kann erre icht werden du rch: Vermeide n von unnötig großen Schraubenil-
bcrst ändcn : leiehres t mögliche Batterie vorse hen; Glasscheiben durch Kunststoff ersetzen ;
Lc icht rnc tall r ädcr : Lc icht mct all-B rcmszangcn; klci nstm ögfichcr Kra ftstoffta nk: Wc rk-
sto ffs ubstit uti cn, wo erlaubt.
Unvermeidbare, große Masse n werden so tief wie möglich eingebaut (Schwerpunktlage)
u nd so nah wie möglich b ei m Fah rer (Massc nrräghcitsmomc nr um Hoch ac hsc}.
Cerr te beabs r u r u ng geu ring. Unterschiedliche Abst ufungen er möglic he n bei gleiche m
Motor da s Fahrzeug an untersch iedl iche Strecken anzu passen.
Der erste Schr itt ist, die klein ste Übersetz ung a uf d ie längste Ge rade des Ku rse s ausz ule-
gen. Die größte Übersetzung wird so gewählt, dass aus de r langsamsten Kurve ausreichend
beschleu nigt wer den kan n. Siehe au ch Kapitel K 4 Übersetzungen,
Die Anordnu ng des Getri ebesa ls letzte Einheit be i ei nem Mittcl motorfah rzeugc rleichtert
den raschen Wechsel VO ll Za h nradsätzen ohne u mstä nd liche Demo ntage von Teile n oder ga r
Baugr uppen.
200
250
[km /h]
6.
50
100
150
Geschwindigkeit v.
..•._ .. •. kurz
1 ,-- --·- / "":···-......·-+· .....·........ -
dttel
o -I"'--"';""--; - -';---i - - -;"""-
o
~ 4000
•N
s:
t 2000
l'
o
~
~
e
.
•
.=. 6000
•
-
Bild 0 -1 Getriebeabst ufungen eines Formel -Renault-Wagens, nach [002] .
Die drei verfügbaren Über setzungen kurz, mittel und lang r eichen von 220 bis 260 km/h Höchs tpe -
schw ind igkeit. Das Getriebe weist sechs Gänge mit einem Retourgang auf. Man beachte den m it zunen -
mender Geschw indig keit kleiner werdende n Drehzahlabfall zw ischen aufeinanderfo lgenden Gängen .
Fah r wer ka bsr tmm u ng chussis nming Die Fahrwerksabstim mung gehört praktisch z um
Al ltag des Ren ni ngenieu rs. Be i Testlä ufen u nd bei Traini ngs werden eigene Mess räder mon-
tiert . d ie die Erfassu ng releva nter Größen (Sturz, Nachlau f. Vorspu r, ... ) verei nfac hen . Die
Messung de r Radaufstand skräfte er folgt laufend über Kraftau fnehmer (Radla stwaagcn].
Vermessen werde n geo metrisc he G rößen wie Spurweite. Sturz, Vorsp ur usw. und Kräfte
wie Gewic htsverteilu ng. Untersc hiede lin ks /re chts usw.
Ein zu straff und steif abgestimmtes Fahrwerk verschlechtert die Bodenhaftung der Rei-
fen. was sich sowohl beim Besc hle unigen als a uch beim Bremse n d urc h Rutschen bemerk-
bar macht. Auße rdem verursacht es nervöses Fahrverhalten und die Radlastverlageru ngen
erfo lgen beim Einlen ken d urc h d ie e rhöhte Rollste ifigkeit spo ntaner.
Umgekeh rt wankt und nickt ein Fah rzeug störend, wenn die Ausleg ung zu weich erfolgt.
Es ka nn aufsitze n und das Einlenkverhalten wird träge.
8241
2 Einflussfaktoren
Feder n sp rings. Neben den ei nzelnen Fede rraten spielt das Verhä ltnis der Steifigkeit
Vorder- zu Hintera chse für da s Fahrverhalten auch eine Rolle. Grob gesprochen erhöhen
steifere Federn an der Hinterachse die Tendenz zum Übersteuern und an der Vorderachse
zum Untersteuern.
Dä mpfe-r da tnpers. Die Dämpferabstimmung ist direkt mit der Federwahl verbunde n. Eine
zu harte Druckstu fe führt tenden ziell z um Fahrverhalten einer steifen Feder. Eine zu steife
l ugstufe führt zum Absinken des Fah rze ugniveaus durch aufeinanderfolgende Fahrbah n-
stöße. Ma n wird die Abstimmung mit der gcri ngst möglichen Dämpferrate für Zug- und
Druckstufe - als o grob gesprochen nur mit Federu ng - beginnen und erst bei mangelndem
Fah rbahnkontakt die Dämpferventile zudrehen.
Stabilisa tn r en a nti roll hars . Stabilisa toren be ein flussen die Rollsteifigkeit ei ner Achse ohne
deren Fed ersteife bei m gleichseitigen Federn z u verän dern. Ein Stabilisato r erhöht die Rad-
lastdiffer enz einer Achse und verminde rt so die übertragbare Seitenkraft eines Reifenpaares.
Im Allgemein en ist das Stabilisatorverhalten bzw. der Stabilisator einfacher zu ändern als die
Federkennung bzw. die Fede r. Die Stabilisatoren sind somit .l.!illi Mittel um das Fahrverhalten
e ines Wage ns au szubalan ciere n. Neutrale s Kur ven verhalten gewä hrleiste t z umindest theo re-
tisch das schnellste Verhalten. G ener ell kann folgendes festgehalten werden: Ein zu steifer
Stabilisator an der Hinterachse führt zum Überste uern , an der Vorderachse zum Unte rsten-
cm.
Q
Bild 0 -2
Einstellen eines Stabilisators an
der Vorderachse (Lola F 3000).
Der Umle nkhebel w eist mehrere
Boh rungen für die Stabilisator-
kopp el auf. Dad urch lässt sich die
Hebelü bersetzung und damit die
Wirkung des Stabi lisators einfach
ändern.
Reifen ryres. Vom Fülldruck der Reifen sind Reifensteifigkeit in Hoch- und Qu errichtung
sowie Prcssungsvcrtcih m g im latsch abhängig. Ausgehend vom mittle ren Druck erhöht
ein geringerer Druck die übertragbare Umfa ngskraft und ein höherer Druck verbessert das
Einlenkverhalten sow ie die Seitenführu ng in Kurven.
Die Brauchba rkeit einer Abstimmung zeigt sich bei Testfahrten im Vergleich zu einer
G rundausleg ung. Unter an dere m sind gleichmä ßige La ufflächent empera t uren alle r Rei fen
ei n Ze iche n guter Abst imm ung.
Auch das Aussehen de r Reifen gibt Ausku nft über die Fahrwe rkabstimmung. Heißere, stär-
ker abgenutzte Außenka nten de r Vorde rreifen können auf zu groß en positiven Sturz beim
Kurv en fahren hinweise n oder die statische negat ive Sturzei nstellu ng ist zu geri ng.
Q Abstim mung und Entwicklung
BildQ-3
I ernp erat ur m essunq an Reifen.
Die Temperatur k an n durch Einstechen in d ie La uf-
f läche oder berühru ngslos erfasst w er d en,
links: M essung mit Messstift
oben: Messung mit Pyrometer
/
Rod en ab st and ride height, Eine wichtige Messgröße zu r Fahr wcrkscinstcl lung ist der
Bodenabstand. Dabei ha ndelt es sich um ei n Vergleichsmaß und es wird zw ischen Fah r-
bahn und einem fahrzcugscitigcn Punkt (z. B. Qucrlcnkcrkonsolc) er mittelt. Fahrzengun-
tcrscitigc Mcssstcllc n sind ungeeign et wegen schwc rcr Zugänglichkelt und der Gefah r der
Deformation durch Aufsetzer . Das Fahrze ugniveau wird z. B. durch Längenänderung der
Schub- bzw. Druckst rebe n eingestellt. Eine andere Möglichkeit bieten Federbeine mit ver-
stellbaren Federtellern. Denselben Effekt er reicht man d urch Unterlegen von Distan zschei-
ben unter ein Federend e.
Radlasten comer weiglus. Die statischen Radlasten sollen links und rechts gleich sein.
Manche Fahrer wünschenjedoch unterschiedliche Radlasten [Q01]. Wenn laterale Ungleich-
mäßigkeit unvermeidbar ist. so soll diese an der Hinterachse auftreten. Bei einem Fahrzeug
mit vier Rädern schwa nken die Radlasten stets diago nal. d . h . wenn rechts hinten die Feder
mehr vorgespannt wird. erhöht sich die Radlast links vorne.
Die Gleichheit der Nachlaufw inkel links und rechts ist wichtiger als ein best immte r
Wert.
Regenrenn en race in rhe ratn. Ein Fahrzeug. das auf trockener Fahrbahn mit Slicks g ut
abgestimmt ist. wird auch auf nasser Fahrbahn mit Regenreifen brauchbares Fahrverhal-
ten zeigen. Eine Schw ierigkeit erg ibt sich daraus. dass Vorderreifen und Hinterreifen nicht
dieselben Verhä ltnisse vorfinden. Die Hinter reifen laufen bei Geradeau sfah rt in der von
den vorderen entw ässerten Spur. Das ändert sich jedoch bei Kurvenfahrt. Die hinteren Rei-
fen kommen durch Schräglauf in eine nasse Spur und ihr Reibungsverhalten verschlechtert
sich. Somit ändert sich die Aufteilung der Radfüh rungsk räfte zw ischen J en Achsen also das
Fahrverhalten st ändig . was die Sache fü r den Fahre r erhe blich erschwert.
2 Einflussf akto ren
Te nde nz iell werden bei Schlec htwette r die Fede rn weic he r u nd der Wagen wege n Aq uaplu-
nin ggcfah r sowie größerer Federwege höher eingestellt. Die erzi elb are n Reibbeiwerte de r
Reifen sind allerdi ngs niedriger als auf trockener Fahrbah n. Die maximalen Besohleu ni-
gunge n (längs und quer) falle n somit ebenfalls geri nger aus . Deshalb muss unter andere m
die Brem sk ra ftauft e ilung Vorde r/Hi nterae hse a ngepasst we rde n. Ebenso we rden die Stabi-
lisato ren au f die geä nder te n Verhä ltnisse abge stimmt. Die Dichthei t elektrische r Kompo-
nenten. wie Steck vcrbindungcn oder Scha lter, wird beso nders re nnentscheide nd. vor allem
bei Langstreckenbewerben.
Aerodyna mik aerodyamics. Aero dy na mische Belange sind für a lle Fahrleistu ngsbereiche
relevant. Die Höhe des Einflusses hängt von der Rennkla sse. also vom Reglem ent ab.
Für die Abstimmung sind drei Schwerpunkte. d ie ein ande r beeinflussen. wichtig:
z ufr iedenst ellen de Abt riebsaufteilung vorne z u hi nten.
bes tmög liches Verhä ltnis Abtrieb/ Lu ftw id erst and .
optimale Kühlung von Aggregaten (Motor. Get riebe. Bremse n) und Fahrer.
Die Abtriebsa ufteilu ng zw ischen den Achsen mach t sich stark im Fah rverh a lten be merkba r
und wird vorrang ig beha ndelt. Das Optimum des Verhältnisses Abtrieb/ Luftwidersta nd ist
st reckenabhä ngig. Ein Kurs mit vielen langsamen Kurven (d. h . hohcr Motor mome ntenil-
bcrschuss und damit die Gefahr durchdrehender Antricbsrildc r] und kurzen Geraden ist mit
höherem Abtrieb schneller zu durc hfahren. Umgekehrt bringt verri ngert er Luftwiderstand
auf Strec ken mit la nge n Geraden u nd wenig Ku r ven Ru ndenzeite nvor teile . Bild Q -4 .
Die Abstimm ung beginnt bcis picls we ise mit ger ingerem Abtr ieb an der Vorde rachse und
untersteue rnde m Fahrzeug. Da s ist verglic he n mit einem üb e rste uern d e n Fahrverh alte n bei
hohe n Geschwindigkeiten d ie besser e Wahl. Durc h Testfahrten in schne llen Kurven wird
Q
Ausführung für hohen Abtri eb:
1 Frontf lügel w eist wesent lich
größere Fläche auf. zusätz-
liche Klappen beim Frontflü -
g,1
2 z oeätescree Flügele lemenl
Im unteren Bereich des
Heckllügeis
3 Mehrstö ck iger Flügel im o be-
ren Bereich des Heck flügels
bzw . steilerer Flügel
4 Bei schnellen Kursen müssen
die Bremsen mer« Wärme
abführen: Es kom m en dic kere
Bremssche iben und größere
Luftsch ächte zum Einsatz.
Bild Q-4 Unterschiedliche Abtriebseinstellungen an einem Fc rmet-t -wacen.
Links: Abstimmung für langsamere Kurse (hoher Abtr ieb). rech ts: die Ausführung fü r schnel le Strecken
(geringer Luftw iderstand).
a Langs amer Kurs (hohe Geschw indigkeit in Kur ven}
b Schneller Ku r s (hohe Geschwindigkeit auf Gerade n}
Q Abstim mung und Entwicklung
z unächs t d ie Abstimmung an der Hinterac hse so vorge nommen, dass de r Wagen ei n ausge-
g liche nes Abtriebsverhalten a ufweist . Da nn wird der Abtrieb a n der Vorderac hse e rhöht m it
stets höherem Abtrieb hinten . So erhä lt ma n ausgeglichen e Abstimmu ngen mit hohem und
geringem Abt rieb [Q 01}. vgl. Kapitel E 7 Auslegung und Abstimmung.
Motora bsu m mu ng engine tuning. Die zur Verbren nung der engesaugten Luftmenge
er forder liche Kraftstoffme nge wird übe r Einsp ritzventile ins Sa ugrohr ode r d irekt in den
Brenn raum eingespritz t. Ocr benötigte Anteil an Kraftstoff hängt unter ande rem von der
Last (Potentio meter f ü r Dros sclk fapp cnst cllun g). der Drehzahl (Drehzah lgeber) und d er
Motorte mpe rat ur (T her mo ele men t im Ku hlkrcislau f} ab. Außerde m mu ss der Z ündzeit-
punkt (Zündwin kcl] in Abhängigkeit von ob igen Einflussgrö ßen eingestel lt werden . Dieses
so genannte Moto rmanage ment. also die A nsteuerung d e r Einspritzventile und d e r Zün-
dung. übern immt das Motorsteuergerät (ECU). Im Grunde ist das Steuergerät ein Rech-
ner. der über ein mehrdimensionales Kennfeld aufGrund der Eingangsgrößen (Drehz ahl.
Drosselkla pp e nwin kel. Abgaszusa m me nse tz u ng. ...) d ie Ausgangsgrößen (Zündw inkc l,
Kraftstoffmenge. H') errechnet. vg1. Bild N-3. Dieses Ken nfeld - ode r gerrauer gesagt die
Kennfelder - wird am Motorprüfstand ermittelt und später im Fahrzeug im dynami schen
Betrieb auf de r Strecke nachjustiert. Einzelne Para meter der Kennfelde r oder gesamte
Kennfelder können in das Steuergerät nachträglich gespeichert werden . Damit hat der Ren-
ningcnieur die Möglichkeit unter ande rem de n Zusa mmenhang zwischen Fahrpedal und
Drosselklappenwinkel zu verände rn oder das maximale Moment zu verringe rn, wenn es
die Witterun gsverh ältnisse erfo rdern. Das A nsprcchvcrh altc n und die Fahrbarkeif könne n
so relativ einfach an der Strecke verändert werde n. Darüber hinaus speichert das Steu-
ergerät best im mte Sig nale im Be trieb ab und erlaubt so na cht rä g lich charakteristische
Daten aufz ubereiten. Beispi elsweise ka nn die Motord rehza hl über de m Fahrweg aufgetra-
gen we rde n (daz u be nötigt das Steuergerät al lerdings einen Eingang . d er die Sign ale ei nes
Radd reh zah lsensors aufnim mt) oder die Lastverteilung (= Drossclklappcnstcll ung) über
der Zeit betrachtet werde n (Bild L- l).
Bil d 0 - 5 Aus lesen von Daten (Fah rzeug: Produ ktionsspo rtwagen Faust P94).
Ohne Laptop ist heutzutage eine Änderung der M oto rab stimmu ng unmöglich geworden .
8281
2 Einflussf aktor en
Crcba bs r tnnn u ng coarse set-up. Wie oben geschildert lasse n sich keine allgemeingül-
tigen Wert e für eine Abstimmung ange ben. G robe te ndenzielle Unterschiede des Sei-Ur in
Abhä ngigkeit vo n den Witter ungsverhältn isse n kan n man j edoch erke n ne n.
Tab. Q-2 Grobvergle ich von Abs timmungen für wrtterunqsvemäitmsse.
Q
Einst ell ungsbereich
Reifen
Stabilisatoren
Aufbaufedern
Dämpfer
Fahrzeugniveau
Flügel
Radsturz
Bremskra ftauftei lung
Bremsbeläge
« u nnutt zotunr zu Bremsen
Motorb edatung
Witterung
Trock en
Regen
Stick
Regenreifen
hart
weich
hart
weich
hart
weich
nieder
höhe r
flach
steil
groß
klein
u. a. abhäng ig von Schwerpunkt- relativ mehr Anteil an de r Hinter-
höhe und Abtrieb
achse
hart
weich
offen
teilw eise abgedeckt
max. Moment, rnax. Leistung
reduziertes Höchs tmoment
Tab elle Q -3 gibt einen Übe rblick über g rundlegende Absti mmu ngsmaßn abme n isoliert
betrachtet für das Eigenlenkverhalten bei der konstante n Kurvenfahrt (Test: Kreisfahrt mit
festgehaltene m Lenkr ad auf der Schlcudcr plattc ). Die beschri ebenen Maß nahme n wirk en
entgegengesetzt dur chgefüh rt da s gege nteilige Eigenle nkver hal ten. Das gle iche gilt für die -
selbe Maß nahme an de r ande ren Achse. Natürlich zieht im Allgemeinen j ed e Maßna hme
auch weitere Einflüsse auf das Fahrverhalten nach sich.
Abschließend sollen einige allge mein gü ltigen Leitlini en die Bede utu ng einzel ner Einfluss -
größen fü r d ie Abst im mu ng da rlegen . In sc h nelle n Kurven ist der Einfluss von aerodyna-
mischen Mitteln (Bo dc nabs tand. Flügeleinst eIlunge n) maßgeb licher als in langsamen. In
langs amen und mittelsch nellen Kurven sind die Achslastverteilung und die Differenzialei n-
stel lung d ie wichtigsten Einflussg rößen für ein ausgewoge nes Fahrverhalte n. Zuerst so llen
die Aufbaufedern gewäh lt werden und dan n die Dämpfe r auf diese Fed ern abgestimmt wer-
den und nicht umgekehrt.
Die Temperaturen de r Rcifenlaufftäc hen und insbesondere die Differen z zw ischen Vor-
der- u nd Hinterachse muss bei Abstim mungsä nder ungen beobachtet wer de n. Die vom He r-
stel ler e mpfoh lene Reife ntem perat ur mu ss erre icht werden u nd d ie Unte rschie de zw ischen
den ei nzelne n Mcssstcllc n sollen mög lichst klei n sein.
Das Fahrzeug so llte imme r so nied e r wie mög lich betr ieben we rde n. allerdings nic ht
du rch bloßes Einse tzen von stei fere n Aufbaufedern.
Q Abstim mung und Entwicklung
Tab . 0-3 G rundlegende Abstimm ungsmaßnahmen für das stationä re Lenkve rhalten [00 91
Maßn ahm e
Reifenbre ite VA ve rg rößern
Acrerast VA erhöhen
Spurweite VA vergrößern
Momentanpol VA tiefer legen
Feder rate VA erhöhen
Stab ilisator VA härter
Ausgleichsfeder H A verstä r-
ken. Hubfederrate verr ingern
Vorspur VA erhöhen
-t- Rads turz HA verringern oder
-
Radsturz VA vergrößern
Wank lenken nach
kurvenin n en
Se itenkraft lenken nach
kurveninnen an VA
aerodynam ischer A bt rieb an
HA erhöhen
Lenkung Richtung Ackerman n-
aus legung veränd ern
Nachlaufwink el an VA
ve rg rößern
Bremskraft anteil der VA
erhöhen
Ant rie bsk raftanteil der VA bei
A llrad an trieb erhöhen
Legende: VA Vord erachse. HA
Physikali s che Au swirkung
Schrä glaufwin kelb edarf VA sin kt
höhere Radlasten
. .....
übe rtra gba re Seitenkrä fte steigen
......
Sch räglaufw inkelbedarf sinkt
(Effek t überwiegt die Zunahme de r Radlastunter-
schiede und d ie damit verbundene Erhöhung des
Schräglaufwinke lbadarfs)
Radlastun terschiede sinken,
Schrä glaufwin kelb edarf sinkt
Verr inge rung der Wan kmomentabstUlwng.
Radla stun tersch iede sinken,
Schrä glaufwin kelbedarf sinkt
Radlastun tersch iede VA und Schr äqtautwm kelcedart
VA steig en
Radlastun tersch ied e HA und Sch räglaufwinke lbe darf
HA sinken
Radlastun tersch iede VA und Sch räqlautwinkelbeda rf
VA steig en
Radlastun tersch ied e HA und Sch räglaufwinke lbe darf
HA sinken
Radlastun tersch iede HA si nke n,
Schräglaufwinke lbedarf HA sinkt
Schräglaufwinkel außen ste igt. Schräglaufwinkel innen
si nkt
__
Schräglau fw inkelbedarf VA sinkt
Stu rzse iten kra ft stei gt außen
__
Sch räqlau fwlrt kelbedart VA sinkt
zusätzücher Lenkwi nkel nach Aufbau des
Wan k w inkels
zusä tzl icher L enkwi nk el nach Au fbau der
Que rbeschleun igu ng
höhere Radlasten
__
übe rt ragba re Se iten krä fte ste igen
__
Schräglaufwinkelb edarf sin kt
geringe rer effektiver Len kwin kel durch Verringeru ng
de r Vorspur
Verr ingerung des Rad lenkwinke ls du rch Elast izitä ten
größere r Bedarf an Kra ttschluss du rch Längskräfte
(Effekt nur be im Bremsen w irksam)
__
weniger Potenz ial fü r Seiten krätte zur Verfügung
__
Schräqlaufwinkelbedart stei gt
größere r Bedarf an Kra ttschluss du rch Längskräfte
(Effekt nur bei Vortrieb wirksam)
__
weniger Potenz ial fü r Seiten krätte zur Verfügung
__
Schräqlaufwinkelbedart stei gt
H inte rachse
Effekt
Übersteuern
Untersteuern
Übersteuern
Übersteuern
Untersteuern
Untersteuern
Untersteuern
Übersteuern
Übers teuern
Übersteuern
Üb er steuern
Untersteuern
Untersteuern
Untersteuern
Untersteuern
Untersteuern
3 Dat enerfassung
3 Datenerfassung Data logging
Die Datenaufzeichnu ng und die anschließe nde Analyse ist eines der wichtigst en Mittel im
Verbess erungsproz ess von Fahre r und Fahrze ug. Mit Hilfe von über 200 Sensoren im Fahr-
zeug wird die Fun ktionen eines Formcl-l-Wagens auch während de s Rennens überw acht.
Allerdings steigt durch die Menge an erfasste n und abgeleiteten Daten auch de r personelle
und ge rätetech nische Auf wand eines Teams e rheblich.
Die g rundlegendste n Date n sind hie rbei der Verlauf der Motordreh zahl über der Zeit.
Das liefert Aussage n über Extre md rehzahlen und der en Ze itanteile (Gctricbcabstufung.
Motorentwicklung. Fahrstil). Man erkennt Schaltpunkte und bei bekanntem {Rund -TStrc-
ckcnvcrlauf können einzel ne Kurven und Streckenabschnitte einem Mcsssch ricb z ugcord-
nct werde n (Vergleich verschiedener Fahre r. Geschwi ndigkeiten). Eine weitere bra uchbare
Messgröße stellt der Lenkradwinkel dar. An seinem Verla uf im Vergle ich z ur Srrcckcnfüh-
rung lasse n sich das Fahr verhalten des Wagens und der Fahrstil des Piloten erkennen.
Durch die Verwendu ng von entsprechende r Software für Datenaufzeichnung und Analy-
se werden tatsächlich weit mehr Daten erfasst. Die kleinste Abtastfreq uenz ist jedoch nicht
völlig frei wählbar, sonde rn hängt von der Änderu ngsfrequenz der zu erfasse nden Größe
ab. Die kleinste Abtastrate muss g rößer als die doppelte Signalfrequenz sein. Üblicherwe ise
wird mit einer Abtastfrequenz von 10 Hz [Q(1) gearbeitet. Für Werte. d ie weniger stark
schwanken, z. B. Kühlflüssigkeit stempe rat ur. genügen Frequenzen um I Hz. Die Bewegung
von Radaufhängungsteilen wird mit 50 bis 100 Hz besser also exakter erfasst [Q08].
Dc Daten werden entweder im Bordcomputer gespeichert und später ausgelesen ode r.
was bei größeren Datenmengen (z. B. Ren nen) unumgänglich ist. per Funk laufend an die
Box übertragen (Telemetrie).
Bild Q-6 Antenn en am B ug eines Formel-l -Wagens (Ferrari).
Vor den beiden A nten nen (also rechts im Bild) sitzt ein Prandll-R ohr zur Er fass ung der Geschwindig-
keit der anst-örne ncen Luft.
Q
Q Abstim mung und Entwicklung
Zur Kontrolle und Verbesserung der Moto rfunktion werden folgende Werte übertragen
[QIl31'
Kurb el wellend reh z ah l.
Lastzustand (Drossclklappcnstcllung),
Zü ndzeitp un kt .
Zusammensetz ung des Kraft stoff-Luftgcmi schs für jede Zylin derbank.
Öltcmpcratur und -d ruck.
Druck und Temperatur der Kühlflüssigkeit.
Kraftstoffverb rauch. ermittelt über die Öffnu ngszeit der Einsprit z ventile.
Druck de s Versorg ungssystems der pneu matischen Ventilfede rn.
Funktion des Ge nerators.
Andere Sensoren liefern folgende Signale. die über das Fahrverhalten des Wagens und den
Zusta nd von wichtigen Bauteilen Aufschluss geben [Q04] und [Q07]:
Fahrzeuggesc hwin dig keit . Co rovitscnso r, P rand tl-Sondc.
•
Längs- und Querbeschleu nigu ng: Bcschlcunigungsaufnchmcr,
Bild Q· 7
Lenkwinkelsensor (Formel-Fahr-
zeug).
Übe r einen Q-R ing wird die Dreh-
bewegung der Lenkwe lle auf den
darübe r am Monocoque ange-
b rachten W inkelgeber übe r tra-
gen.
BildQ-8
weqaumenrner an einem Fe-
derbein .
Zu sehen ist das linke Federbein
am B ug eines Formelwagens.
Ein Wegaufnehmer verbindet die
waqenseuqe Konso le des Fe-
derbeins mit einem Teller. der am
Rohr des Dämp fers verschra ubt
ist. So zeichnet der Au tnehrner
genau den H ub des Federbe ins
auf. Am rechten Ende des A uf-
nenmers kann man das Kabel
e rkennen. das zum Messgerät
führt.
3 Dat enerfassung
eingelegter Get riebegang .
Lenkwinkel.
Lenkradm omen t.
Bremspedal ste llun g.
Bremsdru ck .
Temperat uren und Verschlei ß de r Bremsen.
Brems verz öge ru ng.
Raddr eh za hle n.
Einfederwege und Radlasten.
Temperat ur im Kupplung sgeh äuse.
Öltcmpcraturcn im Differen zial und Getr iebe.
Rei feninnendruck.
verschleiß, Te mpe ratu re n we ar, tensperatures. Aufschl uss reiche Erken ntn isse lassen sich
auch über relat iv einfache Methoden auch abseits der Elektronik gew innen . In de r Erpro-
bungsphase und zur Siche rheit auch später (es können Sensoren ausfallen) werde n Tempe-
raturen beispielsweise mit Mcssstrcifcn (Bild er Q-9 u nd Q-IO) erfasst. di e auf kritische
Stellen geklebt werden. Am stehende n Fahrze ug kann mit einem Blick geprüft werden. wie
hoch die Maximaltemperatur an di eser Stelle wa r. Temper at uren sind desh alb ma ßgebliche
Größen, weil sich Werkstoffeigens chaften zum Teil erheblich mit der Temperatur ä nde rn
(z. B. nimmt die Festigkeit von CFK-Teilen je nach vcrwcndctcm Harz stark ab) und die
Lebensda uer von manchen Komponenten (Schwing ungsdämpfer, elekt ronische Bauteile.
Dichtungen . ...) stark verkürzt wird. Außerdem geben unerwartet hohe Temperaturen an
bestimmt en Stellen ein en Hinweis auf Fehlfunk tionen (Radlager, Wellen....).
Ein einfachcrO-Ringaufder Kolbenstange eines Dämpferbeins zeigt wie ein Schleppzei-
ger den maximalen Hub an. der im Betrieb aufgetreten ist. Das liefert mit Berücksichtigung
der Federrate eine Aussage über die max imalen Radlasten . Man darf nu r nicht vergess en.
den O-Ring vor Abfahrt des Wagens auf "N ull" zu stellen.
Q
Bi ldQ-9
Raddrehzah lsensor
(Formel Renault , rech tes Vorderrad).
Ein sternförmiger Rotor ist nabe nfest mont iert
und hetert pr o Radumd rehung vier Signale für
den Sensor, der am Radträger angeschraubt ist.
1833
Q Abstim mung und Entwicklung
Bild 0 -10 Temperatur-Mess streiten
Der M essstr enen zeigt d ie g rößte im Bet rieb aufge tretene Temperatu r des Dämpfers durch ve rtärbunq an.
Bild Q-11 rernperatur-Messstreiten,
Der Messs tre ifen erfasst die M ax im altemp eratu r der Bremszange eines FIA·Gr-Wagens,
834 1
Glossar
Glossary
AUS ASS (A n n - Blo ckle r -Sys re m antilock braking systemv: Ein Regelsystem im Hydra u-
likk reis von Bremsanlagen reduziert den vom Fahrer über das Bremsped al aufgebrachten
Druck in de r Bremsleitu ng , soba ld ein Ra d zu Blockieren dro ht. Dazu si nd unter a nderem
Sensoren erforderlich. die die Radd rehzahlen erfassen und mit ei nem aus der Verzöge rung
errech ne ten Sollwert vergleich e n. Die Ha upt fun k ti o n eines ASS ist die Aufrecherhalt ung
der Lenkbarkelt ei nes Fahrzeugs. Blockierende Räder können kei ne brauchba ren Seiten-
krä ftc aufbauen. was vor allem an der Hinte rachse zu m Stab ilitätsverlust füh ren kan n.
Tre ten lin ks u nd rechts u nte rsc hied lic he Reibwerte auf(p-sp lil ), so muss der Fah rer b eim
Bremsen gege nlenken. Ein ABS kann den Fahrer hierbei unterstützen. indem am Vorderrad
mit me h r Grip die Brems k raft langsa me r aufge ba ut wird (Gicrmomcntcnbccinff ussu ngj .
Das aufdas Fahrzeug wirkende Gie rmoment baut sieh so ebenfalls langsamer auf und es
bleibt meh r Zeit zum Gegenlenken. Der Bremsweg wird dadu rch unvermeidbar länger.
Zusätz lich wi rd an der Hinterachse nach de m Rad auf der Nicdrigrcibwcrts citc ge regelt
(setect low) [(2).
Eine Erweiter ung d es ABS · Rcgelsys tems ist das ABSpius ode r CBC (Cornering Brake
Control). Hierbei erk en nt das Syste m die Fah rsituation - insbeso ndere Kurvenfahrt - durch
die Radd rehzahlen und regelt deme ntsprechend die Bremskrä fte an den ei nzel nen Rädern
um das Fahrzeug in de r Spur zu halten.
ACO (Alltolll(lbile Ctuh Je i 'Olle.'iI): Automobilcl ub, der das 24-St unde nrennen von Lc
Mans seit 1923 vera nstaltet und das Reglement für die startberechtigten Fahrzeuge he raus-
gibt. Außerdem legt er die Reg elarien für die Europäische (ELMS) und die Amer ikanische
Le Mans Serie (AL MS) fest.
A I.MS : Abk ürzung für Americon Le Mans Series. In diese r a me rikanischen Renn se rie g ilt
dasselbe Reglement wie beirrt berühmte n 24·S tu llden·Rcnllcn von Le Mans. Die Renne n
sind jedoch kürzer und gehen über2A5 bis 12 Stunde n.
Akt utertes Get riebe sbift hy wire: Manuell betä tigte Schallgetriebe weise n ei ne mecha -
nische Verbind ung (Gestänge. Seile) zwischen dem Scha lthebel und de r eige nt lichen Bctä-
t igungscin richt ung am Get riebegehäuse auf. Wird de r eige ntl iche Schaltvorga ng über
Ak tnatoren (Pneumatik- bzw . Hydra ulikzylinder. E-Motoren.. .. ) durchgeführt, kann das
Sc halte n vom Fahrer auf Knopfdr uck oder vom Bordrechne r (a uto m atisie rt es Getriebe ) ein-
geleitel werden.
1835
Anhang
a nisotrop anisotrop ic : Richtungsabhängigke it von bestimm ten Werkstoffe igenscha ften.
wie z. B. E-Modul. Festigkeit. Das gege nteilige Verhalten hei ßt isotrop.
Beansp ru chu ng stress: Eine äußere Belastung (Kraft. Moment. Drehm oment) ruft im
Werkstoffgefüge eines Bauteils ei nen Spannungszusta nd hervor. Dieser Span nungszusta nd
ist die Beanspruchung. Sie wird durch (technische) Spannunge n (Zugspannung. Drucksp..
Schubsp .....) er fa sst.
Besch leunigung tI acceieration: Ist die Rat e der Geschwind igkeitsänderu ng über de r Ze it.
Sie kan n rein physikalisch gesehen positiv oder negativ sein. d . h. die Geschwindigkeit
nimm t zu oder ab. Bei Fahrzeugen spricht man im Allgemeinen allerdings von Beschleuni -
gung und Verzögerung.
Bode nahstand ride height, Ist der Absta nd ei nes beliebigen fahrzeugfesten Punkts von
der Fahrbahn. Beim Sct-Up wird von einem best immt en Bodenabstand als Referen zwert
ausgega ngen und der Wagen höher ode r tiefer gestellt. Der Bodenabsta nd ist also nur eine
messteeh nische Verei nfachung zu r Ermit tlung de r Bodenfreih eit.
Bodenfrei heit ground clcara nce : Abstand zwisc hen Fahrze ug-Unte rboden und Fahrbahn .
Zu unterscheide n davon ist der Bodenabstand.
Br uchde h nu ng A eiongation at rupture ; Relative Verlänger ung eines Probestabs. bei der
der Bruch auftritt. Die Bruchdehn ung ist somit ein Maß für die Zähigkeit eines Werkstoffes.
Je höher die Bruchdehnun g. desto günst iger ist das Bruchver halten eines Werkstoff". weil
sich das Versagen langsam ankündigt.
CAD CAD: Abkürzung für Compu ter Aided Design (Rechnergestütztes Konstruieren).
Bauteile und deren Zusammenstellungen werde n mithilfe geeignete r Softwa re dreidimen -
sional entworfe n. Freigänge u nd Bewegun gsräume können so einfache r kontrolliert werden
als am Zeichenbrett. ebenso können numerische Simulationcn (Fcstig keits- , Strömungs un-
tersuchungcn•... ) durchgeführt werden. Die Daten können teilweise direkt zur Fert igung
von realen Bauteilen hera ngezoge n werden . Sieh e auch: Rapid Protot ypi ng.
CA HT: Abkürzun g fü r Cha mpionship Auto Rucin g Teams . Ame rika nische Formel-Ser ie.
die in Ovalstadi en und auf Straßenkursen ausgetragen wird. Die z.ö-l-vx-Motorcn werden
mit Methanol bet rieben und beschleunigen die Einsitzer auf 400 km/h. 2003 Insolven z.
Danach Neust art als Cham pCar . Cha mp Ca r ist mittlerweile (Anfa ng 200f!) aus finan zielle n
Gründen zunächst mit IRL zu einer Formelserie zusammengegangen und kurz daraufoffi-
z iell insolvent ge worde n.
CFK CFRP (Kohtenstottt aser versrärkter Ku nststctr carbon- fibre-reinforced-pta stici:
Ein Verbundwerkstoff bei dem Gewebe aus Kohlefaser mit reaktionsfä higen Harz en imprä-
gniert werden und in mehre ren übere inander liegenden Schichten zu Formteilen oder mit
innen liegenden Wabenke rne n zu Sa ndwichkonstruktionen ver arbeitet werden. Die gczicl-
te Anordnung der gerichteten Fasern ermöglicht das mechanis che Bauteilverhalten in
gewünschter Weise zu beeinflussen.
Chassis chassis: Dieser Begri ffw ird we itläufig von Fahrges tell bis Karosse rie verwendet.
Wah rscheinlich nicht zuletzt deshalb. weil nicht in jede m Fall eine eindeutige Tre nnung in
unterschiedliche ß augruppen vorge nommen werde n kan n. In diesem Buch soll darunter
die eigentliche. tragende Str uktur eines Fahrze ugs versta nden werden. an d ie Radaufhän-
Glossar
gungs-, A ntrie bs- und Auße nhautteile angebracht werden. Ein anderer Begriff für Chassis
ist demnach Rah men. Bei den meisten Pkw ist die Karosserie selbstt rage nd ausgeführt und
somit sind Außen haut, Rahmen und Bodenplatte zu einer baulichen Einheit zusammenge-
fass t. Eine eindeutige Zuo rd nu ng der Begr iffe zu jeweils einem Bautei l ist a lso in dem Fa ll
nicht möglich.
Diffe r enzi alb allw eise differential constructinn : Konst r u ktio nsprinzip. bei dem ein Fu nk-
tionst räger (Bautcil ) in mehrere Teile zerleg t wird. Jedes Teilstück kan n dann für seine
Teilfunktion optimiert werden. z . B. mehrteilige Räder. Das Gegenteil stellt die Integral-
bauweise dar .
Druckwinkel pres sure angle: Unter diesem Winkel wird bei einem Wälzlager die Kraft
von Außenring und Innenring übertragen . Die grö ßte Tragfähigkeit für ein Lager ergibt
sich, wenn der Druck winkel mit dem Winkel de r äußeren Lagerkraft zusammenfallt.
IH M : Abk ürzung fiir Deu tsc he Tourc nwagen Mastc rs. Tou renwag ense rie. deren Fah rzc u-
ge auf Serie n-Pkw m it minde sten vier Sitzplätzen basieren müssen. Die Motoren müssen
Viertak t-Ottomotore n m it acht Zylindc rn in V-Ano rdnu ng m it 90 0 sein . Der Hubrau m ist auf
4 1limitiert.
Dyn amischer Retfen r ad tus dynamte rolling radius: Beim stehende n Rad ist der Absta nd
Rad m itte z u Aufsta nds fläche kleiner als beim rolle nden Rad (stat ischer Rc ifcnradiu s ).
Abhängig von de r Reifenbaua rt und de r Raddre hzahl nimmt der Abstand mit zu nehmender
Gesc hwindig keit zu . Der dynam ische Reifen radiu s als Messwert wird aus dem gemessenen
Abrollumfa ng eines Reifens bei 60 km/h errec hnet.
Ergen treq ue n z natural frequen cy: Ein schwi ngu ngsfähiges Ge bilde f üh rt nac h eine m
e inmaligen A ns toß sich selbst übe rlasse n eine Schwi ngu ng (= e ine periodisc he Bewe gu ng
um die Ruhelage) aus. Die dabei auftretende Frequenz ist die Eigenfrequenz. Wird ein sol-
ches Gebil de mit ei ner Frequ e n z gle ich oder nahe zu gleich de r Eigen freq uen z angeregt. so
wer de n die Schwinga ussc hläge max imal (Reso nanz).
Eige n lenk ve r ha lte n s etf-stee rtng propenies : (siehe a uch Fahrverhalten.s Im Gre nzbereic h
der fahrba ren Q uerbeschleunig ung d reht sich das Fahrzeug u m seine Hoch achse anders als
es d em Lenke inschlag beim reine n Rollen des Reife n s e ntspricht. Die Seitenkräfte wachse n
an de r Vorde r- und Hinterachse (genauer an jedem einzel nen Rad) untersch iedlich stark
an. Am gum mibereiften Rad werden Seite nkräfte aber nu r übertragen, wcnn es sch räg zu
sei ner Ebene abrollt (Sch rägla nf}. wachsen nun an ei nem Fahrzeug die Schräglaufwi n-
kel an der Vorderachse schneller als an der Hinte rachse an , ..schiebt" der Wagen über die
Vorderräder aus der Kurve. Der Fahrer muss stärker einschlage n als er es beim reinen Rol-
len müsste (u ntc rstc uc m d cs Eigenlenkverhalte n). Das umg ekeh rte Verha lte n nenn t m an
Übersteue rn. Das Verhalte n eines Fah rz eu gs mit (annähernd) gleich mäß ig anwac hsenden
Sch räglaufwinkcl n an alle n Rädern w ird als neutral bezeichnet. Ein bestim mtes Fahrze ug
muss abe r nicht über den gesa mte n fahrb aren Grenzbereich das gleiche Eigenlenk verhalten
aufweisen. Es gibt neben Fahrzeugen. die konstantes Verhalten zeigen , auch solche, die bei
kleine n Qu e rbeschleunig ungen untersteue rn. bei höheren Q uerbeschleunigu nge n jedoch
zu m übers teuernden Fahrverha lten wechse ln u nd um geke h rt. Darü ber h inaus ko m mt no c h
der vo r a lle m bei hohen Moto rleistungen nicht une rhebliche Einfluss von Um fa ngsk räfte n
an den Ant riebsrädern. So wird ein hi nte rr ad get riebe nes Fah rzeug, das sich rolle nd neut ral
Anhang
verh ält, beim st a rken Besc hle unigen übe rsteu ern , weil die A ntr iebskräfte d ie Re ifen scitcn-
weicher we rde n lassen.
Elasttztt ätsmodu I. kurz E-1\fod uI YOllng 's Modulus: Werkstoffkonsta nte. die durch Dehn-
versuche an P robestä ben er m itte lt wird. Be i viel e n Werkstoffe n bleibt das Verhä ltn is zwi-
schen der Spannung (Beanspruchung) und der erzielten Dehnu ng (Verlä ngerung) gleic h.
Dieses Verhält nis ist der E-Modu1. Man kann den E-Modul a uch als (natürlich nur theore-
tische) Spannung sehen. bei der die Dehnung eines Stabs WO% beträgt. der Stab also das
Doppelte seiner urspr ünglichen Länge erreic ht hat.
E nt w urf embadiment design, Phase de r Konst r uktio nstät igkeit. in de r d ie Lös ungsvor-
schläge im wahrste n Sinn des Wortes Gestalt annehmen. Das Suchen der Lösun gen vor dem
Entwurfist die Konzeptphase.
ESP ESP (Elekt ronisches Stabilisier u ngs- P rogr a m m ele ctronic stabitity programme):
Regelsystem . d as die Fahrst ab ilit ä t be einflusst. Se nsoren er fasse n den Fahrzu stan d des
Fahrzeugs, insbeso nde re d ie Gie rbeweg ung u nd d ie Lenkreaktion des Fahre rs. We icht de r
Zusta nd des Wagens vom errec hnete n Sollzust and ab, greift das System über radi ndivi-
duelle Brem su rige n oder Beeinflussung des Motormanage ments ein. Ei n ES P wirk t b ei-
spielsweise stabi lisierend bei Pa ni k-Ausweich ma n övern. zu schnell gefa hre ne Ku r ve n ode r
Reifenplatze rn .
Ideal e Ackermann-Bahn
~~~Einlau!s~~c~e___
'rtf! ..,'"" du H",,'h,'", .
[~-l.enkVl'inkelSTnd-blli allen Fa hr ze uge n gleich
Der untersteuernde Wagen erreicht a l s erster
den Zust and der konst ante n Kurvenfahrt und
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f.!ih :!:-·Lden_weites t e 'L Boge n~
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(; IDer oeutrale Wagen braucht ca. 0,75 s, bis
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di e Einlau1phase abgeschl os sen ist , und 1ahrt
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da'!!L!l!!Je~ollen ni t Ac~er-na"-,,,-=--Ral1-!'l!S
Der uber-st euer-nde Wagen er- r - ei cht als l et zt er-
die konst a nt e Kurven1 ahrt und 1a hrt dann
~inen enge.'!-Bo ge""
_
•ta h r ve rha tte n operanng behaviour: Im Bild (nach [03]) si nd die Bahn en d rcicr Fahrzeu-
ge dargestellt. die mit konstante m Lenkeinschlag eine Kurve fah ren. Der einzige Unter-
schie d d e r Fahrzeuge liegt in de r Sc hwer p unktslage. Beim unte rsteuernden Wag e n ist de r
Schwerpu nkt weiter vorne. bcim übersteuernden weiter hinten im Vergleich zum neutralen
Fah rzeug . Alle Fahrzeuge benötigen eine Einlau fst recke. in der zunäc hst Schräglaufwi nkel
der Vorderräder, gefolgt von einem Sch räglauf der Hinte rräder aufgebaut werde n. Das Fahr-
ze ug begin nt zu gie ren und weicht von de r ursprü nglichen Geraden ab. Erst dann kommt
die Phase des konst anten
Kurvenfan ren s. Bei m neu-
t ralen Fahrzeug sind d abei
die Schräglaufwin kel beide r
Achsen gleich.
8381
Glossar
Fa hrzeugbewe gungen vehicle motion: Ein Fahrzeug hat - wie jede r st arre Körper - im
Raum sechs Freih eitsg rade. Die mögl ichen Einzelbewegu ngen (Verschiebungen und Dre-
hungen) um die drei Hauptachsen werden wie folgt bezeichnet :
Gieren
lieb e n/ Senk en
ZuCken
Verschiebungen (Translationen) : Entlang
der Längsa chse: Zucken 10 jerk .
Entlang der Oucrachsc: Schieben 10 drift.
Entla ng der Hochachse . Heben bz w. Senken
ro hea ve.
Drehungen (Rotationen): Um die Längsach-
se: Wanken (Rollen. Neigen) 10 roll.
Um die Q uera chse. Nicken to pitch,
Umdie Hochachsc:Gieren to yaw.
Fährt ein Fahrzeug aufeiner Fahrbahn. so sind die Beweg ungen eine Kombi nation der mög-
liehen Einzelbewegu nge n und entstehen aus de n vorgegebe nen Bewegungen Fahrbahn und
dem Fahrereinfl uss durch Lenken.
Faheze ugkourdmate n system ax is system: sieh e Koo rdin atensystem.
Fahrzeugniveau rille beigbt: siehe Bodenabstand.
Federrate spring rare: Angabe der Feder-
steifig ke it. Trägt man da s Verha lten e ine r
Fede r in einem Kraft/Weg Diagramm ein.
so erhält man die Federkennli nie. Die Stei-
gung der Kennlinie ist die Federrate cSp' Die
Fede rrate muss nicht konst ant sein. sonde rn
sie ka nn sich beim Einfede rn verändern.
Wird die Feder beim Einfedern steifer (die
Linie steiler). spricht man von progre ssivem
Verhalten. Das gege nteilige Verhalten hei ßt
degressiv. Die Kennlinie flacht ab und die
Feder wird beim Belasten zu nehmend wei-
che r.
o
151
Federweg 5sp
~
FIA tFederetion Internationalede f 'AlIf(Jl1Iohife ): Automobilweltverband mit Sitz in Paris.
Gibt das inte rnationale Sportgesetz herau s.
Ffnlte-Elemenre-Methode (FEM) fi nit elemcnt method: Spannungsberechnung von Bau-
teilen mit numerischen Methoden durch einen Computer. Dabei wird das Bauteil in (rauscn-
dcl )endliche(= finite) Elemente zerlegt undjedes Element nach de n Gesetzen der Mechanik
berechn et. Diese Näherungsverfahren erlauben auch die Spannungsberec hnung von Teile n
komplexer Geometrie und Belastung. die mit Formeln nicht zu berechnen sind.
Ftächent rä gheusmoment I plonar moment ofinertia: Mathematische Größe. die aus der
Geometri e ei nes Q uerschnitts folgt. Das Fläche nträgheitsmoment wir d bei der Festigkeits-
berechnung bei Biegebea nspruchung von Bauteile n be nötigt .
Anhang
Fret hettsura d degree offrf'edo/ll (DOF): Ein Freiheitsg rad ist eine d efinie rte Lage ä n -
derung eines sta rren Körpers nach einer eindeutigen und reproduzierbaren Funktion. Ein
Körpe r hat im Raum sechs Freiheitsgrade (d rei Translationen und d rei Rotationen). Die
Masc hinenele mente. d ie solche Freiheitsgrade ermöglichen. heißen Gelenke. Ein Gelen-
klager bietet als Kugelgelen k drei [ro rato risc hc) Freihei tsgrade. Sä mtliche Verschieb u nge n
(die mög lichen drei Translationen) sind gesperrt. Die Kolbe ns tange eines Dä mpferbeins is t
ein Dreh schubgelen k. Es weist zwei Freiheitsg rade auf: Eine Tra nslation (Ein- /Ausfede rn)
und eine Rotation (Dreh ung um die Kolbcnsta ngcnachsc).
Fülld ruck infiation pressure: lst bei eine m Reifen die Druckdifferenz gegenüber dem
Umgebu ngsdruck. Der Fülld r uck w ird gewö hnlich a m kalten Re ife n ge messe n. Herrscht
z. B. ein Luftdruck von I bar vor und im Reifen liegt ein absoluter Druck von 2.5 bar an. so
beträgt der Fülldruck 1,5 bar. Man spricht auch von einem so gena nnte n Überdruck.
Gem isc hbild u ng mixtu re formation : Die Aufgabe der Ge misc hbild ung eines Motors ist es
bei alle n Bet rieb sbed ing ung e n. ein zü nd- u nd b re nnfäh iges Luft-Kraftstoff-Gemisch he r-
zustelle n. Zufriedenst el lend verbre n ne n diese Gemische nur in einem e ngen Misch u ngs-
boreich. W ird de r Luftanteil größer (mageres Gem isch ). sinkt der Kra ftsto ff ve rb ra uch bis
Verbre nnungsaussetzer z une h men u nd d ie Laufgre nze erre icht ist. Nimmt der Kraftsto ffan-
teil zu (fettes Ge m isch), steigt d ie Moto rleistung, bis der Kr aftstoffwegen Sa ue rsto ffmangel
n icht mehr vollständig verbrannt werden kann.
G f-' K (C tasraser ver st är kter Kunsts to ff) glass-fibre-reinforced ptastics (GFRP): Ku nst-
stoffe, die zu r Erhöhu ng der Festigkeit mit Glasfasern in Form von Matten , Geweben u nd
Strängen au s parallelen Fäden verstärkt sind. Eingesetz t werde n GFK-Teile als Außenhaut-
teile. Flüge l. For mtei le.
Giere n Yll\ d ng : siehe Fahrzeugbeweg u ngen .
G las ü berga ngste m pe r at ur glass transition temperature : Bei Kunststoffen tr itt eine cha-
rak ter ist ische Verh altensänderu ng bei Erreiche n ei ner bes tim mten Tempe ratur ein. Unte rhalb
diese r so genannten G las übe rgangstemperatu r kom men die Schwi ngbewegungen de r Mak-
romolckülc zu m St illstand und die Stoffe versp röde n. Bei weite rer Abk ühlung erreic he n sie
eine n glasig-harten Zusta nd. Bei Reifen gilt: Je größer die Differenz zwischen der Glasüber-
ga ngstemperat ur de r Gu m m imisc hung und der Betr iebstempe rat ur. desto weiche r w ird de r
Gummi und desto mehr Reibung baut er auf.
Gre nzschicht boundary tayer: Wird ein ruhender strömungsg ünst iger Körper von Luft
umströmt. so folgt die Luft urnso mehr der Kontur dieses Körpers. j e näher der Oberfläche
sich d ie bet rachtete Lu ftschic ht befind et. Durc h Re ibu ng seffek te verla ngsa mt ei ne Luft-
ström ungje näher sie zu r Oberfläche eines ruhenden Körpe rs gelangt. So bildet sich an der
Oberfläche des Körpers eine statische bis langsame Ström ung aus. de ren Dicke z um Ende
des Körpe rs hin zu nimmt, die so genannte Gre nzschicht. Diese Gre nzsch icht löst je nach
Form des Körpers und Druckverhältnissen mit zunehmender Dicke und Turbu lenz nach
einer gewissen Strec ke des Entlangströmen s von de r Obe rfläche des Körpers ab. Außerhalb
dieser G renzschicht kann die Reibu ng vernachlässig t werden u nd die Gesc hwindigkeit de r
Teilchen nimmt mit dem Wand absta nd zu.
G u m m i rubher: Sa m melbezeiehnu ng für Elasto mere (eine Ku ns tstoff-Unte rg ru ppe) au f
Kautschukba sis . Aus dem einged ickte n Saft (Latex) des Kautschukbaums wird durch
Glossar
Schwefelbehandlu ng (sog. Vulka nis ation, führt z u weitmaschiger Vernetzung der Molekü-
le) der eigentliche Gummi gewon nen. Nebe n diesem Natu rkautschuk gibt es auch synthe-
tisch hergestellten Kautschuk. Der bekann teste Vertrete r ist der durch Polymer is ation von
Butad ien erzeugte Buna.
Bei Elasto meren liegt die Gebrauchstemperat ur über der Glasübergangstemperat ur. Bei
den übrigen Kunststoffen (Thermop laste und Duroplaste) ist es genau umgeke hrt.
Haptik haptlcs: Haptik ist die Lehre von der haptischen Wahrneh mung. Als haptische
Wahrneh mung bezeichnet man das aktive Erfühlen von G röße, Konturen. Oberflächentex-
tur. Gewicht usw, eines Objekts dur ch den Tasts inn.
Hub -zu ohrungsvem äu nts strake-bare rutio: Das Verhältnis des Kolbenhu bs s zu r Zylin-
derbohr ung B bei einem Hubkolbe nmoto r. Man unte rscheidet in A nlehnung an das Aussc-
hcn eines Zylinders von der Seite quadra tische (Hub = Boh ru ng), unterquad ratische oder
langhubige (Hub > Bohru ng) und überquadratische oder kurzhubigc (Hub -e Boh rung) Aus-
legung von Moto ren. Das Bild zeigt sche matisc h eine kurzhubige (a) und ei ne langhubige
(b) Auslegung eines Kurbeltriebs.
B1
r-,
a kurzh ubige Aus legung
b langh ubige Auslegung
11\lSA (t m ernuttonat Motor Sports Assoctattonv: Inte rnat ionale Motorsportbehö rde. die
z. B. die amerikanischen Lc Maus-Rennen durchführt.
Int egralbau weise int egral construction: Konstruktionsprin zip. bei de m versuc ht wird alle
Funktionen, d ie eine Komp onente er füllen muss, in einem Bauteil unterzubringen , Dad urch
ent fallen gew ichtse rhöhende und fest igkeitsm inde rnde Verbin dungsstelle n. Ein Beispiel
dafür sind aus einem Stück gefertigte Seitenwellen mit integrierten Tripode nzapfen. Das
Gegenteil stellt die Differenzialbauweise dar.
IR L (lmly RfIC..·i! rg f.eug// e): Vera nsta lter der 500 Meilen von Indiana pofis (Indy SOO am
Memorial Day. 30. Mai) und anderen Ren nen nach gleichem Reglement auf Ova lkurscn.
Die Fah rzeuge sind Einsitzer mit methanolbetriebenen V8-Motoren mit 3,5-I-Hubrau m. Die
Kosten der Fah rzeuge sind vom Reglement limitiert. Champ Car ist mittlerweile (Anfang
2( 08) aus finanziellen Gründen zu nächst mit IRL zu einer Formelser ie zusa mmengega ngen
und kurz da rauf offiziell insolvent geworde n.
Isot rop Isotropie: Die Werkstoffeigenschaften sind in allen Richtunge n gleich. Das gegen-
te ilige Ve rhalte n heiß t an isotrop .
Kerbwi rku ngszahl notchfuctor: Die Beanspruchung eines Bauteils an einer Stelle wird
durch Errechnen der mechanischen Spannunge n (Bicgcs pannungcn n, Torsionsspannun-
gen r usw.] bestimmt. Dabei werden zunächst bei konventionellen Rechenmethoden die
so genannten Nennspannungen ermittelt, die sich aus dem Querschnitt am Kerbgr und des
Anhang
Verlauf de r a xialen Spannu nge n in einem geke rbten
Zuqstab.
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ungckcrbtcn Bauteils und der Belastu ng ergeben. (Im Gegensatz dazu existieren numeri-
sche Verfahren. die das näherungswei se Berechnen des Spannungsverlaufs erlaube n. siehe
Finite -Elemente -Methode). An Kerbstellen wird das Bauteil höher beansprucht. Die lokalen
Spannungen am Kerbgrund sind wesentlich größer als die Nen nspannungen. Die Kerbwir-
kungszahl Krgibt an um wie viel die maxim alen Spannungen bei dynamischer. also zeitlich
veränderlicher Belastu ng größer werden als die Ncnnspan nungcn. Für Bicgung gilt: (Tb. max
= Kr.b
• (Tb.n und für Torsion gilt: Tls.max = Kr.ls · Tls.n
' Wobeider Indexb für Biegung. ts für
Torsion und n für Ncnn- steht. Ein Wcrt von Kr = I bedeutet also. dass das Bauteil völlig
kerbunempfi ndlich ist.
Klopfen knocking : Bei einem Ott omotor crgi bt sich cinc Grenze der Verdichtungsstei geru ng
durch (teilweise hörbares) Klopfcn an der V0111 ast. Klopfen ist eine unkonrrolhcrtc. selbst
(also ohne Zündkerze) eingeleitete Verbre nnung. Vor allcm gcgen Ende einer klopfend en
Vcrbren nung treten hohe Dr uckspitzen auf. die sich mit Schallgeschwindigkeit im Brenn-
rau m for t p fla n zen u nd Kolbenboden. Dichtungseinfass unge n u nd Zyli nd e rkopf beschädi-
gen. Deshalb muss dau erhaftes Klopfen unbedingt vermi ed en werden . Dies ges chieht u. a .
durch Kra ftstoffz usätze. Einstellen eines fetten Kraft stoff-Lu ft-Gemischs. Zurücknahme
des Zün dwinkels. Zurück nahme des Ladedruck s. Kühlung der Ansa ugluft. Gestaltung des
Brennraums und ges ielte Kühlung von problematischen Brennraumbe reichen (Zündkerzen-
sitz. Auslass ventilsit zringe).
Knicke n buckling : Versagen sart von schlanken. stabförmigen Bauteile n. die Druckkräfte
übertragen. Gege nüber einer idealen Belastung. die den Stab nur drückt. treten in de r Rea-
lität Imperfektionen aufdie zu einer zusätzlichen Biegung des Bauteils führen. Wird die
Druckkraft zu groß. weicht der Stab in der Mitte seitlich aus und versagt auf G rund der zu
großen Biegebea nspruchung.
Kon strukttonstage design position: Bestimmte Lage eines Fahrzeuge s z ur Fahrbah n. die
als Basis beim Konstruieren von Fahrw erke n herangezogen wird. Üblicherweise ist da bei
der Wagen fah rbereit mit halbvollem Tank und der Fahrer an Bord. Ausgehend von diese r
Lage kann der Wagen ein- und ausfedern bzw. nicken und wanken. In Konstruktionslage
ergeben sich also alle Nenn muße. r; B. für Bode nfre iheit. Bode nabst and. Spreiz ung, Nach-
lau fus w.
Ko nze p t Iay out: Er ste Phase in ein em Konstru ktions proze s s. In d ieser Phase werden
Lösungsmöglich keiten fü r Teilfunktionen des Gesa mtsystems ges ucht und zu einer Wirk-
struktur zusam mengestellt. An diese Phase schließt die Entw ur fsph ase an.
Glossa r
Koordtnatensyst e m
coordinate system:
Von de n gäng igen, fahrze ugfeste n Koordina-
tensyste men wird in diesem Buch folgendes
in Anlehnung an DIN 70000 und ISO 4130
verwen det: Der Koordin atenurspr ung ist der
Schnittp un kt de r Fahrzc ugla ngsrnittclcbc-
nc mit der Vorderachse. Das Achse nkreuz
ist da rauf folgender ma ße n ausger ichtet. Die
posit ive X-Achse zeigt in Fahrtrich t ung, quer
dazu die Y-Achsc nach links und die Z-Aeh-
sc weis t nach obe n.
La minare Slrü mung lamina r fiow: Die Strömung verläuft in aufeina nder liegende n
Schichten, die sich nicht ver mische n. Es tre ten also keine Querströmungen (Turbulenzen)
auf.
Las t kollektiv cottect ive load: Im Allgeme inen ist die Belastung eines Bauteils über der
Ze it nicht konstant . so nde rn ändert s ich unreg el mä ßig. Eine Antr iebswelle beispielswe ise
wird beim Start und nach eine m Schaltvorgang ext rem st ark bea nsp rucht. beim Anbrem-
sc n und Durchfahren einer Kurve wiederu m fast gar nicht. Zur Auslegu ng von Bauteilen
werden j edoch vereinfachte Darstellungen von Lasten (K räfte. Momente) benötigt. In Ver-
suchsreihen (z. B. Durchfahren eines besti mmte n Kurses) werden daher Belastu ngen über
der Zeit aufgezeichnet und au sgewertet. Bei solchen Auswer tunge n werde n u. a. die a ufge-
tre te nen Bela stu ngshöhen und deren Häufigke it (zeitliche r Anteil. Anza hl der Lastwcchs cl]
e rmi ttelt .
•
,
•
Zeit e
•
~•
====:> ~
~
, tr::t:::':;::j:;:;j:~
Das B ild zeigt wi e aus einem
Belastungsverlauf ein Last-
kollektiv wird.
Latsch tyre contact patch: Die Au fstands fläc he ei nes Reifens. Über diese Fläche werden
sä mtliche Kräfte zwischen Reifen und damit Fahr zeug und Fahrb ah n übertrage n.
Liefe rg r ad Al volumetric efficiency: De r Liefergr ad be zeich net bei eine m Verbre nnu ngs-
moto r das Verhä ltnis der nach Absc hluss des Lad ungswec hsels ta tsäch lich im Zylinde r
befind lichen Ladu ngsm asse im Vergleich zu r t heoretisch im Zylinder mögl iche n La dungs-
massc (= Hubvolumen mal Luftdichte). Der Liefergrad ist bei Saugmoto ren kleiner als I.
Mit z unehme nder St römu ngsgeschwindigkeit ( Dre hzahl) steigen die Verluste durch Dros-
selung in den Leitungen und Ventilen an. Dies wird teilweise durc h gasdy namische Effekte
bei be st immte n Drehza hle n ausgegl ichen oder sogar übe rkompe ns ie rt.
Luftaufwand }'a ch a rg ing effic ien cy : Der Luftaufwa nd ist bei einem Verbrennu ngs motor
das Verhältnis de r zugefü hrte n Fr isch ladu ng (das ist a lles. was durc h den Luftfilter st römt)
zur th eoret isch im Zylinde r mög liche n Ladungs masse. Damit ist de r Luft aufwand nicht
Anhang
g leich de m Liefergrad. Durch Spü lve rluste im Ladungswcchscl-O 'F ka nn z. B. Frischladung
über den Abgastra kt verloren gehen. Beim Luftaufwa nd wird dieser Verlust ber ücksichtigt .
bei m Liefergrad n icht. In d iesem Beispiel wäre der Luft aufwan d größe r als der Liefergrad.
wenn die z ugef üh rte Masse grö ßer ist als die theo retisch mögliche . Der Lufta ufw and ist
einfac her zu messe n als der Liefergrad.
Lu üverhätmls Z (Lambda) alr -fuel-ratio; Das Luft- Kraftstoffgemise h im Motor z ündet
und verbrennt z uf riedenstellend nur innerhalb eines besti m mte n Mischungsbereichs. Bei
Ben zin bet rägt dieses Verhältnis etwa 14 ,7 : I. d. h. 14.7 kg Luft sind zur vollständigen Ver-
brennung von I kg Kraftstoff erforderlich (stöchiomet risches Gemisch) .
Die Luftzahl ..1. vergleicht diesen theoret ischen Bedar f mit dem tatsächlich vorhandenen
Gemisch.
vorhandenes Ge misch
A. :; 1 bedeutet also im Brennr aum liegt stöchio metrisches Gemisch vor. A < I heißt es
liegt Luftmangel vor (fettes Ge misch). A. > I heißt es herr scht Luftü berschuss (mageres
Gemisch).
Lu ftwid ers t a nd drag : Kraft. die au f bewegte Körper ei nwirkt . dad urch. dass diese Luft
verdrä ngen und dass die Luft im der Körpero bertläche reibt.
vtasscnt r äg helt (erstes Ncwtonsc hcs Axio m) mu ss inertia: Damit ein Köper seine Bcwe-
g ungsr icluu ng oder Geschwi nd igkeit ändert. muss eine Kraft auf ih n einwi rken. Diese Kraft
ist proportional der Beschleunigung und der Masse. F :; m . a.
Ma ssent r äghet tsm om ent J polar inenia: Das Massenträgheitsmoment ist bei einer Rota-
t ion ein Maß fü r den Widerstand gegen übe r Ä nderu nge n der Winkelgesc hwi ndigkeit und
ist damit vergleichbar der Masse bei einer Translation. Das Masse nträgheitsmoment hängt
von der Vertei lung der Masse im Bezug z ur Drehachse ab. Jc weiter Masse na nteile von der
Drehachse entfe r nt s ind. desto größer ist das Massc nrräghchsrnomcnt.
:\1itt eld ru ck , effekt iv P m.c mean effecuve pre ssurc: Während eines Arbeitsspiels eines
Verbrennungsmotors änder t sich der Druck im Brennraum . Der Mitteldruck ist eine rech-
nerische Vergleichsgröße. Er ist ein gedac hter kons tante r Druck . der die gleiche A rbeit an
der Kurbelwelle verrichte n würde . wie der tatsäc hliche sich per iodisch ände rnde Druck im
Laufe eines Arbeitsspiels.
Momentanpo t instan tcneous cent re: Jede Bewegung zwischen zwei starren Körper n kan n
durch eine Drehung um eine augenblic kliche (:; moment ane) Drehachse (:; Moment anpol)
beschrieben werden. Der Ort des Momentanpols ist demzu folge auch der Ort im dem keine
Geschwindigkeit zwisc hen de n betrachtete n Körpern exis tiert. Die Angabe des Momen-
tanpols in Koppelgetrieben erfo lgt durc h die Kombi natio n der in Bez iehung s tehenden
Glieder. Im Bild ist ein vicrglicdrigcs Getriebe dargestellt. Sind Gl ieder im (festen) Gest ell
1 gelagert. g ilt der Lager pun kt als Momentanpo l, im Beisp iel also Gelenke 12 und 14 fü r
die Gliede r 2 und 4. Sind betrac htete Glieder nicht direkt miteinander gekoppelt. kan n der
Momentanpol übe r die Kenntnis zwe ier zum Starrkör per gehörigen Geschwind igkeits vek-
toren e rmittelt werden. Hier also der Pol für die Glieder I und 3.
8441
G lossar
14
\
23
F"
Wirken zwisc hen zwei Gliedern Kräfte. ent-
scheidet die Lage der Kra ftwirkungslinie in
Bezug z um Mome nta npol diese r Gliede r.
welche r ki ne matischer Zust and sich eins tellt.
Im Beispiel bewirkt die Kraft F 'I (Kraft auf
Glied 3 von Glied I) eine Drehung im Uhr-
zeige rsinn. Würde de r Momentanpol 13 auf
der W irku ngsli nie von F ]l liege n. bliebe das
Get riebe im Gleichgewic ht. Liegt die Wir-
kungs linie unter dem Mome nta npol 13. dreht
sich Glied 3 gcgen den Uhrz eigersinn. [01 ]
:\Ionol>osto slngle-searer: Einsitziger Renn wagen. bei dem der Fahre rplatz aufder Längs-
mittelebe ne des Fah rze ugs a ngeordnet ist.
:'IACA Luft ei nl ass NACA air duct: Gesta ltung eines Luftschachtes nach de n Empfehlunge n
der NACA (National Advis ory Council for Aeronautics).
NASCAR (Nat ifmul A ssockuton Ior Swd.. Cur A uto Rucing t nc. v: Regelbehörde für den
NASCAR Sprint Cup Scrics (war 2004 - 2007 Nextel Cup Scrics, davor winsto n Cup), eine
in Norda merika populä re Renn serie. d ie mehrheitlich auf Ovalku rsen in Stadien gefa hre n
wird. Sie stellt die höchste Rennserie in den USA dar. Die Fahrzeuge sehen äuße rlich wie
Ser ienfahrze uge aus, bestehen aber aus eine m Gitterrohrah men und werden mit Vergase r-
motoren bet rieben, die über eine Gele nkwelle eine Starrachse an Längslenke rn antreiben.
Nic ke n pitching: siehe Fahrze ugbeweg unge n.
O-A no rd nllllg Osar rang eme nt: Zwei Schräg kugellage r ode r Kegel rollenlager können spie-
gelbildlich angeordnet werden. Werdendabei zwei Lager so eingebaut, dass die Drucklinien
nach außen zeigen (also wie in ,,0" aussehe n), spr icht man von O -A nordnung de r Lage r.
Weisen die Drucklinie n zueina nder. liegt eine X-Anordnung vor.
Oktanzahl ocran e number: Eine Kenng röße für die Klopffestigkeit ei nes Kra ftstoffes. Je
größer die Oktanza hl desto klopffester ist der Kraftstoff. Zur Bestimmu ng de r Oktanzahl
werden zwe i versch iedene Verfahre n eingesetzt : Die Motor-Methode (Motor-Oktanzahl
MOZ) und die Resea rch-Methode (Research-Oktanzahl ROZ).
Perzcnrl l percentil , Einteilung einer Grundgesa mtheit (Normalverteilung) in \00 Absch nit-
te. Hie r stat ist ische Einte ilung der Abmessu ngen des mensch lichen Körp ers . Damit werden
Cockpits und Fah rga sträu me gest altet. die fllr einen Großt eil de r Be völkerun g passe nd sind.
Im Pkw-Bau {lecken so der 95 %-Mann und die 5 O/O -Frau 90 % der Gesa mtbevölkerung
ab. D;IS heißt nur 5 % der Männer sind größer und nur 5 % der Frauen sind kleiner als die
benutzten Pcrzcntilc.
Prototy p prototype: Ren nwagen einer bestimmten Kategorie und Gruppe. der nur in klei-
ner Stückzahl ode r als Einzelstück gefertigt wird.
Qua litätssteue r ung qualitycomrol: Die Steuerung der Last (und da mit bei konstant er Last
der Drehz ahl) erfo lgt bei Dieselmoto ren durch die Steue rung der Kraftstoffzu fuhr in de n
Brennraum. Die Verbrenn ungsluft saugt der Motor uriged rosselt an . Dad urch ergibt sich
Anhang
allein übe r d ie Verä nderung der Kra ftsto ff men ge das gew ünschte Luft-K raftstoff-Massen-
verhä ltn is im Bren nrau m.
Q ua nt itätsste u e r u ng qnantity corurol: Die Ste ueru ng der Last (u nd damit bei konsta nte r
Last der Drehzah l) erfolgt bei Ott om oto ren mit he rkömm liche r Ge mischbildung (Ve rga-
ser, Saug rohr cinspritz ungj über Drosselo rga ne (Drosselklappe, Schie ber) . Dab ei wird im
Teilla stb ereich d ie Luft- bzw . Gemischmengenz ufuhr zu m Mot or durch Drosselu ng des
Ansa ngquersch nitts verä nde rt. Bei Volllast w ird d er gesa mte Quersch nitt freigege ben .
Rad -S chwingz ah l wheelfrequency: Eig en fre q ue nz e ines schwingu ngsfähigen Rades , das
übe r Feder und be weg liche n Gliede rn mit dem Wagenkasten verbu nden ist .
Raid, Ral lye Raid : Unter diesem Oberbegriff werden die Langstreckenrennen. die quer-
feldein im freie n Gelän de vornehm lich in Wüstengegenden a usgetragen werde n, z usam-
mengefasst. Der grundsätzliche Verlauf des Bcwcrbs ist dabei wie bei eine r Rallye. d. h. die
Fah rzeuge fahren von einem Anfangsort zu einem bestimmten Zielort.
R a llye rally : Sind wenbewe rbe. die a uf für die Dauer des Bcwcrbs abgespe rrten Straßen-
stücke n ausgetrage n werden. Die Fahrbahndecken kön nen dabei Asphalt o. ä., Schotter, abe r
auc h Sch nee u nd Eis sein. Jedes Fahrzeug fahrt die Strecke norma le r we ise allein. Ken n-
z eichne nd für Ra llye ist . d a ss ein Beifah rer dem Piloten den Strec kenverlauf a nsagt .
Rapid Protutyplng : Daz u zählen alle Verfa hren mit de ren Hilfe direkt aus 3D-CA D-
Info r mat ionen rea le Modelle gesc haffe n werden kön nen . Manche d ieser Verfahren urbci-
tcn gleichs am wie ei n Dr ucker. der dr eidimensionale Kunststoffk örper ausd ruckt. Diese
Model le können j e nach Verfa hren und Einsatzzweck Anschauungsobjekte. Versuchst eile.
Gussmodelle oder G uss formen sein. Ziel ist es , ausgehend von CA D-Daten rasc h zu eine m
fu nktionsfähigem (Prototyp-)Teil (Name!) zu komme n.
Reibb eiw er t Il- c oefficie nr offri ction: Du rch Versuche e rmittelter Wert z ur Be rechnu ng
der Reibkraft zwischen zwei Körpe rn. De r Reibbeiwert ist u. a. von de r We rkst offpaarun g
abhängig.
Rey nuld szah l Re Reynaids number: Ist eine di me nsionslose Ähnlichkeitskennzahl i n de r
Strömungsmechanik. Sie vergleicht die Trägheitskrä fte mit den Reibungskräften in einem
Fluid. Bei einer Windkanaluntersuchung mit ei nem verkleinerten Fah rzeugmodell müsse n
die Werte der Reyn oldszah l von Modell und Original gleic h groß sei n, da mit man verg leich -
bare St röm ungsfelder e rhält u nd so mit b rauchba re Mcsscrgcbnissc.
Ro ckwett- H ärte Rock we lt hardness: Angabe de r Här te eines We rkst o ffs. Wird e rmittelt
über die bleibende Eindri ngt iefe eines Eindringkegel s in das Werkst ück.
Schubmodul(Gleit modul)G shear madulus: Durch Schubversuche an Probestäben ermit-
telte Werkstoffko ns tante. Für v iele Werkstoffe bleibt bei Sc hubbe a nspruch u ng d a s Ver-
hältnis zwischen Sch ubspannung und Winkelverzerrung gleich. Dieses Verhältnis ist der
Sc hub modu l.
Se q ue n t ielles Sc h a lle n sequentiat shifting, Eine Art des Gangwechsels bei e ine m Schaltgc-
triebe, bei der die einzelnen Gänge nur hinte rei nander(seq uenziell) ei ngelegt werde n. Dazu
mu ss der Fah rer bloß ei ne einfache Bewegu ng machen. Motorradget riebe sind ei n Beispiel
dafür, Im Gegensatz dazu we ise n übliche Pkw-Sc ha hgetr iebe eine l-l-Schaltung a uf. be i de r
mit einer zusamme ngesetzte n Bewegung ein beliebiger Ga ng eingelegt werden kan n.
G lossar
Spa nnung stress: Wird ei n Bauteil durch äußere K räfte und/oder Mome nte belastet ode r
wird es in seiner Wärmedehnung behindert, tritt eine Beanspruchung im Inneren auf. Diese
Beanspruchung wird rechner isch durch mecha nische Spannungen z .B. in N /m m2 erfasst.
Überschreitet die Spannung an ei ner Stelle im Bauteil ei nen vom Werkstoff abhäng igen
Kennwert. kommt es zum Versagen (Rissbildu ng, Fließen, . .. ) an dieser Stelle.
Strec kg re nze Re yield strength: Im Zugversuch erm ittelter w erkstoffk ennwer t. Wird ei n
Stab mit zuneh me nder Kraft gezoge n, so bleibt er bis zu m Erreichen der Strec kgre nze elas-
tisch, d. h. bei Entlastung nimmt er wieder seine ursprü ngliche Länge an. Bei Werkstoffen
ohne ausgepräg te Streckgre nze wird ein Ersatzwert festgeleg t. die Proport ion alitätsgre nze
RpO•2·
Tribologie tribology: Le hre vom Zusa mme nwirke n von Reibu ng, Sch mie r ung und Ver-
sch leiß. Kommt es zw ischen Körpern zu einer Relativbewegung. so führt dies zu Energie-
ve rlust (Reibung) und Mate rial abtr ag (Verschlei ß).
Turbul ent e Strömu ng turöutentftow: Ist eine Strömu ngsform. bei de r Q uerströmungen
und Verwir belungen in unterschied lichen G rößen und Richtungen auftrete n.
Übe rs te ue r n aversteer. AE: loose: siehe Fahrverha lte n.
Unte rste uern understeer, AE: push , siehe Fahrverha lte n.
v erdtchtun gsverhättnt s I:: compression rat!o: Das V. eines Motors ist das Verhältnis aus
max imalem und mi nima lem Zylindervolu men. Das größte Volume n ergibt sich. wenn der
Kolben im unte ren Totpunk t ste ht. Dieses Volum e n ist also das Hubvolumen ei nes Zylin-
ders plus des so genannte n Kompressionsvolumens. Das kleinste Volumen sch ließt der
Kolben im ober e n Totopunkt ein. Dieser Rau minhalt stellt das Kompressio nsvolu men da r.
Das Kompressionsvolumen setzt sich zusa mmen aus dem Bren nraumvolumen u nd weiteren
Ante ilen, d ie sich durc h die Kolbenbo denfor m ergeb en.
Wankt'n roll: s iehe Fahr ze ugbeweg unge n.
Wärmet auseher heut ex chunger: Gebilde in de m Wärme von einem flüssigen oder fes-
ten Stoff höhere r Tempe ratur auf einen andere n mit nied riger Eintrittste mperatur übergeht.
ohne dass die beiden Stoffe miteinander vermischt werden. Je nach beteiligten Medien
unterscheidet man z . B. Wasser/Luft ode r Luft/Luft-Wärmerauscher für die Ladcluftküh-
lung ei nes aufgelad enen Motors.
WR e ("'tJrfd Ru/~l' Car ): Rallyefah rzeug. das auf einem g roßzüg igen Reglement basiert.
das ke ine Mindeststückz ahl an gebauten Fahrze ugen vorsc hre ibt. Das Mindestgewicht
beträgt 1230 kg. Die Zylinderzahl de r Motore n ist mit acht begre nzt. Der Hubraum hängt
von der A nzahl der Vent ile und vom Aufladeve rfah ren ab. Weitere Rallye-Fahrzeuge gehö-
re n z ur G ruppe A u nd N. Für diese Fahrzeuge wird verlangt. dass 2500 Basis modelle inner-
halb eines Jahres geb aut werden. Der Gruppe A verda nken wir so Straßenfahrze uge wie den
Lancia Delta Integrale, Mitsubishi Lanccr Evo und Ford Escort Rs-Cos wortb .
Z ugfe stlgkel t Rn! tensile strength: Im Zugvers uch e r mittelte r Werkstoffkennwert. Er c rgibt
sich aus dem Quotienten von Höchstkraft während des Versuchs und dem Querschnitt des
Probest abs vor dem Vers uch. Die Zugfestig keit ist in vielen Werkstoffk urzbezeichnungen
ent halte n.
Anhang
In diesem Buch werde n die britischen Ausdrücke für die wichtigsten Teile kursiv angeführt.
Nachfolgend sind für ei nige gängige Bautei le die Unte rschiede zwisc hen den ents preche n-
den amerikanischen (AE) und den britischen Beg riffen (BE) aufgelistet :
Bau teil
amerikanisch
britisch
Seitenwelle
axle srett
half sre tt
Ant riebswelle
driveshaft
prop sha ft
Radkasten
fender
wheel arch
(Moto r-)Haube
rooa
ccooer
Übersteuern
cose
oversteer
Kegelrad ach sgetri eb e
ring & pinion
crown wheel & pinion
Unterste uern
tight (push)
uraers teer
Koff er raum
trunk
boot
Stoßdämpfer
sho ck absorber
dam per
Torsionsstabilisator
sway bar
anti roll bar
Gu-nev -Leiste
wicker
gurney
Windschut zsche ibe
windshield
windscreen
Unters chiedliche Ren nklassen benutzen ebenso unterschiedliche Bezeichnu ngen fürdas im
Pr inz ip g leiche Ba uteil.
Dreiecksquerlenker. A -arml wishbonc. control arm
Radtr äger: spindie (Tourcnw agc ny upright (Monopos to)
Spurstange. tic rodl toe link
8481
Abkürzungen , Formelzeichen und Einheiten
List ot symbois and units
Im Text angeführte Gle ichunge n sind im Allgemei nen Gr ößengleichungen . Die Größen
können dabei in beliebigen Einheiten eingesetzt werden. vorzugsweise in de n SI-Einheiten
(Meter-Kilog ramm-Sekunden-System). Die Einheit der auszurechnenden Größe ergi bt sich
dann aus den gewählten Einheiten der Variablen. Manchmal sind auch die in de r Pra xis
gängigen Zahlenwe rtgleichunge n angeführt. Bei diesen stimmt die Gleichung nur. wenn
diese mit den angegebene n Einhe iten gerec hnet wird. Die Einheit der Ergeb nisgrö ße wi rd
demnach im Text ebenfalls ange führt.
Geo metrtsche Pu nkte g eomesric points
Bo
Wagenkas tenschwe rpunkt
CbisG
allg. Bez ugs pu nkte
M
Mittelpunkt
o
Nickpol
P
Wank- bzw. Ro llp ol
Q
Ro
TundU
Urbzw. Ur
V
IV
Mitte des A ntr iebsge lenks
Wank- bzw. Ro ll zent r um
Spu rsta ngen- u nd Gestä nge-Gelenk punkte
Radrmttclpunkt. vorn bzw, h inten
Fah rzeugschwerpu nkt
Rad- bzw. Reifenaufst andspunkt
body ce n lre of g rl1l'ily
referen ce points. in g e ne ra t
c ent re point
pitch c ent re
mI/pole roll centre
c ent re ur driving joins
roll cemre
tie I'Od or linkuge point
wheel celltre point.front o r
rear
vehicle ce n tre ofg ravuy
centre oftyre resp. wheel
contact
I nd iJ:C' S suffice s
Kommen mehrere Indizes vor, werden diese durch ein Komma get rennt. Die Reihenfolge
von Indizes ist diese;
Bei Kräften gibt der erste Index den Ort bzw. Punkt an. an dem die Kraft angreift und de r
zwe ite Index die Kraftr ichtung, z. B. Fw. z Radaufstandskra ft (Hochk raft im Reifenauf-
standspunk t). Das be nutz te fah rze ugfeste Koo rd inate nsystem wird im Gloss ar de finier t.
Zusä tzliche A ngabe n. wie vorn e. hi nten. angetriebe n usw.. folgen als weitere Indizes.
()
2
angetr ieben (nur ein Rad)
vorgegebene Nu111age bz w, Aus-
gangswert. Umgebung
nach oben / in Druck richtung / ein-
nach unten / in Zugrichtung I aus-
driven. ac ceierating {one wheel
OliM
ze ro -p oi n t position or sturüng
point. Ambient
/0 the top I inj ounceI in compres-
sio n/ in
10 thebouomIin rebeundl out
An hang
A
a nfahr end , angetrieben (eine Achse) drive-offconduion, acceierating
(one axlel
850 I
A
b
b
B
B,
Bd
BI
Bo
c
c
C,
d
D
Dbzw.d
d,
dyn
c (Fahrwerk)
c (Motor)
E>
r
F
fi,
fr
G
G,
H
h
hyd
id
Ackermannwinkel
ax ial
Bicgc-, Bieg ung
bremsend (nur ein Rad)
bremsend (eine Achs e)
StabiIisator r ücken
Bremsscheib e
Stab i lisaror sch cnk cl
Wagenkasten
Trägheit
Kühlm ittel
Vergase r
Kupplung
Kurvenfahrt
Dämpfung
Achsant rieb (Differe nz ial)
Widerstand-
dynamisch
clustizitätsbcdingl
effekt iv
Übersc h uss-
vorn
Fehler
Fest-, Tot-
Reibung
Getriebe
Gas
Lenkrad
Haupt.
hydraulisch
kurveninnen. innen
idealer Wert
Ac ke rma n n steering angle
ax ial
bendtng
braking (o lle wheet oniy)
braking (o lle axle)
stahiliser b a r
brake disc
Made ofanti-roll bar
bodv
tnertia
cookmt
curburettor
clutch
cornering
damping
asle drive (differen tial)
drag
dyn amte
due 10 the elasticity tccnnpliances]
effective
excess
front
fault
fixed, idle
friction
ge al"box
gas
steering wheel
11/(/.1'11'1" -
hydruulic
inner wheei, in ner
idealvalue
Abkür zungen , For m elzeich en und Einheit en
k
kinemat isch (infolg c Radhu bkino-
matik)
K
Kraftstoff
krit
kritisch
kb
Randstein
L
Luft -
I
links
10
Gleiten bzw. Block ieren
ls
Verlust
m
Masse
M
Moto r
m bzw, mcd
m ittel
max
maximal bzw, zul. Größtwert
rrun
mi nim al
n
Nennwe rt
No
Noc ke
o
kurvenaußen. außen
p
Fahrer
Pi
Kolben
pI
Konstruktionslage (tcilbcladcn)
Pr
Kolbensta nge
q
Stei g ung-
r
hi nten
R
Ro lle n d es Rades (Abro llen)
rad
radia l
Rd
Stab bzw, Stange
Re
Rest-
rcf
Bezug-
rs
rechts
Rs
Rcst riktor
rsl
res ult ierend
S
Lenken
S
Stabilisator
Sp
Feder
gesamt bzw. Nennwert
kinemat ic (due to wheel travel r
fuel
critical
CI/ rh
aerodynamic
teft . tef t side
slipping . lo ck resp.
lass
muss
e ngine
middle . mcun
maxtmvm permiss ib le
mintmum
rat ed valu e
cam
mlter wneel. auter
driver
piston
design position (partial loaded)
p iston rod
gradient -
rea l'
rol/in g ( whe elj
radial
rod, finka ge re sp.
residual
rejerenc e -
righ t, right side
res oictor
res utung
ste e ring
anti roll bar
spring
total. nomiat val ue resp.
Anhang
tan
ts
T
U
ul
V
v
w
Xbzw.x
Ybzw.y
Zbzw.z
Z (Motor)
ta ngent ial
Torsio n-
Reifen
Wendekr eis
urigefederte Masse bzw. Achse
unbcladcn (Zusta nd leer)
(Gcsann-) Fahrzcu g
Venti l
Rad
Koordinatenrichtung längs allg c-
m CIn
Koordinatenrichtu ng qu er (seitlich)
Koordinatenrichtu ng vertikal (senk-
recht)
Zylinderbüchse
tangent
tcrsional
tvre
tuming circle
unsprung we ight 01' ast e
unloadcd {empty conditian]
overall veh icle
I'(I/\' e
wheel
longitudinal direction in generat
lateral direction
vertical direction
cylinder liner
Strecken
«bisp
tt
B,
c
CR
äbzw.D
Ds
DS.r
D1C
e
distun ces (m m]
Strecken und Längen (allg.)
Achsabstand (Get riebe)
Spurwe ite, vorn bzw. hinten
Spurwe itenänderung
Boh r un g(sdurehmesse r)
Fahrzcuggcsamtbreite
Sehnenlänge ei nes Flügels
Abrollum fang des Reifens bei 6(J
km/h
Abrollum fang des Reifens bei
höheren G eschwind igkeiten
Durchmesser (allgcmein)
Spurkreisdurchmesser (vorn)
Spurkreisdurchmesser. hinten
We nde kreisd ur chmesse r
Einp resst iefe Rad
Ve rtikalkraft ve rsat z a m rol-
lcndcn Reifen
distun ce s andIength ( in generat)
cent rc dist ance {transmission]
track l1' idlh ,jront or real'
track- ch ange
bore {diameteri
overall width of the vehic!e
ch ord tengsh oj a wing
dyn amte rolli ng circu mjerence at
60kph
dyn amte rolli ng circumjerence at
top sp eed
diameter. in generat
track ci rc le di ameter ( frOIlt)
track ci rcl e dia meter. re al'
tum ing circle diameter. wa ll to
wall
wheel off~el
offset ofverticulforc e a t rolling
ryre
Abk ürzungen , Form elzeich en und Einheit en
f
f
hbzw.H
11,
hßo
I
I Bo,f bzw. l ßo.r
Ir bzw.f,
L,
r
Schrägfcdc ru ngswc g
Wö lb ung eines Flügels
Höhe bzw. Hubhöhe (allge mein)
Fa h rze ug-Ges amt h öhe
Höhe des Wagenkastenschwer-
pun ktes
Höhe des Rollzentrums de r Vor-
derachse bzw . de r Hinterachse
Bode nabs ta nd
Hub des Lenkget riebes (Zahn-
stangcn-Lcnkgctriebe)
Höhe des leeren Fahrzeugs
Höhe des Fahrzeugsc hwe rp unk ts
Vent ilhub
Absta nd de r Lenkachse n a m
Bod en
Radstand
Absta nd des Wagenkaste n-
schwe rp unkts z u Mille vorder-
bzw . Hinterac hse
Abst and des Fah rzeugschwer-
punkts zu Mitte VorOC T- bzw.
Hinte rachse
(Pleuel-)Stangcnlängc
Stoß dä mpfe rtot länge
Fah rze ugges amt länge
Nach- bzw. Vorlaufversalz
ki nema tisc her Seite nk rafthebel -
arm bei Nachlauf
Seitenk raft heb ela rm. insgesamt
Außend urchmesser des Reifens
Len k- bzw. Hochkraft heb ela rm .
Radlasthebelarm
Lcnk cr-, Spu rhebellä nge bzw .
Heb elar m (allg.j
diagona lspring travel
convexity
height, in g enerat
overal! he igh t af the veh icl e
heigtuofbody cemre ofgra vity
heightof mll centre atfront 01'
real' aste
ride height
truvel ofsteering ge ar {re ck and
pil/ion )
height o f the unioaded veh ic ie
heigh t ofth e vehicle cemre vf
g ravity
val ve (1'11 1'1.'1
distance bctween the (11'0 stee ring
axis 1/( theground
wheelbase
distance ofhody ce ntre ofg ro vitv
to th e midd!e ofth e front 01' re al'
asle
distance of vehic!e ce n tre ofg ra vi-
ry to middle liffront 0/' rea l' axl e
length cfcan r od
idle (fix ed) lengrh of rhe shock:
absorber
totat Iength of üie vehicl e
caster ofJ.~el (I( whee! ce l/tre
kinc matic ta teratforce lever arm
du c 10 caster
tateral force arm , in total
outer diameter (4" the tyre
force le ver (4" venical force
effective co mrol arm iength or
force lever in ge nerat
1853
Anhang
854 1
"b
r~lal
R
s
s
st
.
',
Stör-, Längs. bzw, Antriebskraft-
hebelar m
Bremskrafthebelarm
dyn amischer Reifenhalbmesser
bei 60 km/h
statischer Reifenhalbmesser
(ste hendes Fahrzeug)
Sei te nve rsatz in der Reifen auf-
standsfläche kurveninnen (+)
bzw. -a ußcn (- )
statische Vorspu r eines Rades
statische Vorsp ur beider Räder
einer Achse
Lcnk rollha lbmesser (stat isch)
gesamter Le n kr ollh alb messer
elastekinematischer Nach lauf
kinemat ische Nach- bzw . Vor-
lau fst recke
gesamte Nach laufst rec ke des
Rad es
Re ifenna chlau f
Bah nradius
Weg bzw. Hub (allg.)
Spannwei te e ines F lügels
Resthubweg bei m Ein- bz w.
Ausfedern ei nes Rades
gesamter Rad hubweg (,.Fcdc r-
weg")
statisch e Reifeneind rücke ng
Hubweg des Rades beim Einfc-
dem
Hubweg des Rades beim Ausfc-
dcrn
Dicke. Wa ndstär ke
Profikl icke ei nes F lügels
defiection force lever ar m
force lever ofhrake
force dynamte rolling radins ofthe
ryre at 6() kph
stutic l oaded radius ofthe ryre
force o.fJset in the centre o f tvre
con tact (+) insidc 01' ( - ) outside
ofcurve
stotic tee -in tone wheel only)
total stutic tee-in (bo th wheels of
onc axis)
scrub radius. static
total trllIISl'erse offset (/f ground
elustokinenuuic caster offset at
graund
kincmatic custer offse r at ground
total caster offser at ground
pneumatte trail
path radius
travet 01' strake, i n general
.vmn ofa wing
res idu al whe e! travel
total wheel travel
stat ic tyre defiection
wheel tra vcl in jounce
wheel travel in rebound
(wa /l) thi ckness
maximum thickness airfoil
Abkü rzungen , Form elzeich en und Einheit en
Win kel angle [0]
a
Stei gu ngswinkel der Fahrbah n
a
A nstellwinkel ei nes Flüg els
uf bzw. ur
Rcifcn schräglaufwinkcl a n einem
Vorder- bzw, Hinte rreifen
an gl e ofgradiens oJthe raad
angle oJaffack
slip angle oJJro nt or real' tvre
ß
ß
y
X
() Il
,Im
() j bzw, ()"
<f'
.I
"
t
Ventilsi tzwin kel
Winkel allge mein
Schwim mwinkel
Anfahrabstützwinkel bzw. Schrägte-
dcr ungswin kcl
Lenkwi nkel
Lenkwinkel. kurvenaußen. Sollwert
nac h Ac ke rmann
Lenkradwinkel
m ittlerer Lenkwinkel
Lenkwi nkel. Istwert kurveni nnen
bzw. kurvena ußen
Vorspu rwinkel Hinterrad
Drehwinkel des Lenkstock hebels
st ati sc her Vorspur winkel bei der
Räder
Lenk- bzw, Spur di fferen zw inkel
(Istwert)
Lenkdifferenz winkel nach Aeker-
mann (Sollwert)
Lenkabweichung (Lcnkfchlc n
Lenkwinkeländerung am Lenkrad
durch Elastizitätcn
Lenkwi nkelbereich am Lenkrad
Sturzw inkel ein es Rade s
Brcmsabsrützwink cl
Rollwinkel des Wagen kasten s
Sp urh ebelwin kel
Spreiz ung
Naeh- bzw. Vorlau fw inkcl der
gelenkten Vorderräder
va lve seat angle
angle. in generot
sideslip ang le
acceleration reaction support
resp. diagonal spring ing angle
steer angle
Ackermann .I'te er a ng le . nnmial
vat ue o llfer wheei
steering wheei a ng le
mean stcer angle
uctual steer angle. inner or oute r
wheel
toe in angle ut reur wheel
turn angle of s tee ring-co l umn
stalle
total staue toe angle
different ial steer ang le {act ual
vaiue]
d flJerential s teer angl e according
10 Ackermann {nomln al value]
steeringf iaw
pa rt ofsteering-wheel a ng le du e 10
co mp lic mces
ran ge ofsteerin g whee l ang le
CUII/ her a ng le
brak e rea ction support angle
hody ro /l angl e
s te e ring arm angle
kingpin in c/ination ang le
caste r angle ofthe steer ed fron t
wheel.\'
1855
Anhang
imagin ärer Nach- bzw, Vorlaufw inkel
der engele nkten Hinterräder
virtual caste r a ngle of tne uns-
teered re a l' wheels
Massen, GeVlic h t e musses. weigtns [kg]
//I
Mass e, Gew icht bzw . Last, allg .
lII ~o
Gewic ht des Aufba us
II1ß o,f bzw .
III llo, r
III U.f bz w,
III U.r
II1V
II1V,o .lr
II1V,f bzw .
II1V,r
III V,f,pl bz w .
//I V,r,pl
III V,I
IIIW
//I 1.llo,f bzw.
III I.ßo.r
III I.UJ bzw.
III I .U.r
1II 1,V.f bzw.
III I,V.r
Gewic htsa ntei l des Aufbaus über der
vorde r- bzw . Hinterachse
Gewicht der Iungcfcdcrtc n] Achsmus -
scn , vorn bzw, hinten
Eigengewicht des fah rbereiten Fahr-
ze ugs
Lee rgewicht des Fahrzeugs in fahrbe-
reitem Zustand. ci nschl. Fahre r
gewogene Achslast , vorn bzw . hin te n
Achslast in Konst ruktionslage (tcilb c-
laden), vorn bzw. hinten
Gesa mtg ew icht des Fah rzeugs
Ge wicht eines Rades
Gewichtsanteil des Aufbaus über nur
ei ne r Achsseite. vo rn bz w. h inten
Gewicht einer Achsseite. vorn bzw.
hinten
Radlast vorn bzw. hinten
muss, weight 01' IOI/(Iin gen erat
vehi cle hody weigh t
patt (~(body mn ss o n front 01' rear
un sp rung aste muss. front 01' real'
weighl c~(driveahle vehicle
weight ofd r iveable vehicle {whh
driven
axle load. front 01' rear
partial oxte load (d es ig n Ioud].
f ront 01' r eal'
g ross vehicle weiglu
we ig ht ofone wheel
purt ofhody mnss o n one side of
thef ront 01' real' axle
we ight ofone side (ffront 0 1' r ea l'
axle
wheel Ioad front 01' rea l'
Kräfte [arce s [N]
/'iF
Kraft än der u ng
Fn
Gesamtbremskra ft aller Räder
FD
Dämpfungsk raft
Fc.llo
Fliehkraft. a ngreifend am Aufbau-
bzw, Fahrzeugschwerp unkt
Ffr
Reib ungskraft. bezogen auf ein Bauteil
bzw, e ine Ac hssei te
Lenkradkraft
Luftkraft
Kraft am Nickpol
ch a nge offorce
tat a! brake force of all wh eeis
dampingforce
cenmfugutforce at the body cen-
Ire 01' vehi cl e
friction force in g enera t 01' r ekued
10 one side (fthe aste
s tee ring- wneetforce
aerodvnamic d r ag
force at pitch cemre
Abkürzunge n, Forme lzeichen und Einheiten
F rs1
FR
Fsp
FT
Fßo.X.ß .f
bz w.
Fßo.X.Il. r
Fv.X.c~
FV•X•A
FU•X .Il J
bzw,
FU•X .B .r
FV•X •B
Fw.X .a
bzw.
FW.X •A
F w.X.b
F w.x
.ß .r
bz w.
F W .X•B•r
FT,Y.e
Fv .y
F w.y
F ßo.Z
Fno.z .a.r
bzw.
F no.z.a,r
FU.z.r bzw.
FU.Z•r
l'lFv.Z
F v.z
.
r bzw,
Fv.Z•r
Kolbe nsta ngen-Aus fahr- bzw, Hilfs-
kraft
resu ltierende Kraft
Roll widerstandskraft am Reifen
Fede rkraft. bezogen aufeine Achsseite
Spurs ta ngen- bzw. Stabkraft
Bremskraftanteil. bezogen auf den
Wagenkaste n. vorn bzw. hinten
Überschusskr aft
Zugkraft
Bremskraftanteil. bezogen auf eine
Achs e. vorn bzw, hinten
Bremskraft, angreife nd im Schwer-
punkt des Gesamtfahrzeugs
Antriebsk raft am Aufstandspun kt
eines Rades (a) bzw. beid er Räder
ei ner Achse (A)
Bremskraft am Aufsta ndspunkt eines
Rades
Bremskra ft beider Räder vorne bzw,
hint en
St urzs eite n kr aft
Qucr- tgcitcn- jkraft am Fahrzeug-
schwe rpunkt
Oucr-tscitcn-jkraft am Rad au fstand-
spunkt
Gewichtskraft des Wagenkasrcns
den Wagenkasten beim Bremsen
abstützende oder herunt erziehende
Kraft. vorn bzw. hinten
Gewichtskraft der Achsmasse. vorn
bzw , hint en
dynam ische Achsk raft- bzw. Achslast-
verlage ru ng (bc idc Räder)
Achslast vorn bzw. hinten
piston rod extensive or uid[orce
res ulungforce
rolling restnance ofthe ryre
.I'pringjiJrce , one side ofthe axte
tie rod 0 1' pnsh rodforce
hrake reaction force to the öoäy.
front or rear
excessforce
tracnon force
brake reoctionforce to the front
0 1' real' «xte
brake force at the cemre of gra vi-
fy vfthe vehicle
acceleruting force in the ü'ntre of
tyre co ntact ofone wheel (a) 01'
both wheels (A)
brake force in the ce ntre (~r tyre
coruact ofone wheel
brake reaction [orce to the fro nl
01' reur axle
latera lforce due 10 ca tnb e r
la terat force at vehicle
la te r a lforce at wheel
staüc body we ight (force )
body liff 0 1' dive differential forc e
dusing braking. front 01' re a l'
weight (forcel offrollt 0 1' re a l'
axle
aste load transfer
axle load front 01' real'
Anhang
FV,Z.r.dyn
bz w.
F V,Z.r .dyn
FV,Z .1
F w.z
liFw.Z
dyna misch e Achskraft vorn bzw.
hinten
Gewichtskra ft des Gesa mtfahrzeugs
Hochkraft arn Radaufstandspunkt
(Radlast)
Radlaständ eru ng (nur ein Rad)
Dr uc kkraft beim Einfede rhub
Zugkraft beim Ausfederhub
dynamte ax t e load, front or rea l'
cross veh icle weight
verticatforce at the centre oftyre
con tact
ch ange ofvenic al force at one
wneet
compressive force
reb eund[orce
Momente I on/ li es and ma ments [ Nm]
u, bzw.
MA
Mb bzw.
MB
Mb
MH
MM
u;
!l4w
Federraten
Cfbzw,c.
8581
Antriebsmoment an einem Rad (a)
bzw, einer Achse (A)
Bremsmoment an einem Rad (b) bzw,
einer Achse (B)
Biegem o men t
Lenk rad moment
M ot or moment
Ve rg leichs mome nt
Rcifcnr ückstctlmorncnt (du rch Seiten-
kraft )
Reibmom ent
Moment am Lenkgetriebe
Torsions moment allge mein
spring ro t es [NImm]
Rate der Aufb aufeder bei gleich-
seitiger Federung. bezogen auf den
Radau fstandspunkt ei ner Achsseite.
vorn bzw. hinten
Rate des Stabilisators selbst,
bei wechselseitiger Federung
Rate des Stabilisato rs,
bezogen a uf den Rada ufstandspu nkt
Federrate
driving torque ro onc wheel (a) VI'
axte (A)
b raking torque appiied to onc
wheei (b) or axle (8)
bending moment
sterring wheel to rq ue
eng ine torq ue
co mpo rutive torque
se lf-align i ng torque
moment of'friction
toroue at stee ring gea r
tors i onat mOll/ent in generat
rate Ilthe body supporting sp ri ng
at parattel springing. rela ted 10
the cen/ re oftyre con/acf ofone
axle side. f ront 0 1' real'
rate ofthe anti roll bar at reetpro-
ca lspring ing
rate cfthe anti roll bar related to
the centre of tyre coru uc t
static rate ofthe spring
Abkürzungen , Form elzeich en und Einheit en
vorde re bz w. hintere Rate der Aufb a u-
feder bei wechselseitiger Federu ng,
bezogen auf den Radaufst andsp unkt
F OIII 01' real' rate ofthe the body
sl/ppor tillg spring at re ciprocat
spr inging related to the cen tre of
tyre con to ct
spring rafes [Nm/O]
Fede rrate ei ne r Drehsta bfeder allgc-
mell1
a uf d ie Vorderachse be zogene Wan k-
stei figkeit de s Stabili sators vorne
gesamte r Wankwide rsta nd de r Vorder-
ac hse
Dimensionslnse Kennza hlen
rafe (?f torsio nal ha r
roll stiffness ofanti roll bar octing
on[nmt asle
roll stiffnessfron r axl e
;D
;0
;m
is
iSg
isp
;T
j
k
k,
kn
kCa
kill
k,
Taktzahl
Übersetz ung im Achsa ntrieb
Getriebeübe rsetz u ng
Achsla stverhältnis vorne/ hinte n
kinematische Lenkübersetzung
Übersetz ung im Len kget riebe selbst
Übersetz ung Rad zu Feder
Lenkgestängeübersetzung
Anza hl allgemein
Korrektur faktor für Reifensteifi gke it
Fläche nve rhältn is ei ne s Diffusors
Bremsenkenn wert
Korrekturfaktor für Vergaser
Drehm assenzuschlagfaktor
Korrektu rfaktor für Reifen fülldru ck
wegen Rads turz
Korrektu r fakt or für Tragfähigkeit
wegen Rads tu rz
Rollwidersta ndszah l bei
Ge radea usfa hrt
Rollwid erst andsbeiwer t a uf der
Prüfsta ndstromm el
factor represen üng monher of
strolc es /ifengine
axle ratio
geerbox ratio
ax leload ratio [mnt/rea r
o veralt unematte stee rtng nuio
steering gear rutio
rutio ofspring 10 wheel
ra t io ofsteering link age
number in ge ne ral
correction foctorf or tyre stiffness
arca rati o ofa diffuser
brake coeffici en t
correction fa ctorfor ca rb urenor
[acto r representing rototing
masses
co rre ctinn foctorfor tyre p resslIre
b eco use ofc amher
correctin n f acto rfor load cupacity
öecouse (ifc a mber
mlling resistunce co effici e n t
mlling resista nce co effic ie m meas-
ured Oll a Ir re test rig
1859
Anhang
kdyn
ku
k,
kfJb/w.r
k$
Kr
SW.X .a
bzw.
SW.X .b
"
z ( Fahr-
werk)
z (Motor)
dynamischer Übcrböhu ngs fakto r
Sch r äglaufwidcrstandsbciwc rt
Anfa hr nickaus gleich
Brems nickaus gleich vorn e bz w, hinten
Progre ss ionsfa ktor für Stufens pru ng
Kerbwirk ungsza hl
Luftbedarf
Zä hli ndex
Umfangsschlupf beim Beschle unigen
bzw. Brem sen
Zä hneza hl verhält nis
Abbrem su ng
Anzah l der Zylinder
Anstreng ungsverhältnis
Luftzahl
Gesamtwirku ngsg rad Getr iebe u nd
Achsa ntrieb
Wirk ungsgrad der Ene rg ieumwand-
lung (Kupplu ng )
e f fekt iver Wirk ungs grad
G üteg rad der Seite nkraftve rteilu ng
Luft au fwa nd
(Pleuel-)Sta ngenverhältnis
Liefergrad
Seite nverhä ltn is eines Flügels
Stufen sprun g der Getr iebeüberset-
zu ng
Vorde r- bz w. Hinte rac hsbremskraft -
ant eil
Verhältn is der Einlassdauer z u einer
Kurbclw cllc nd rchu ng
dynamte amplW'ing fil c t o r
fa ctor for tyre s lip resist ance
o nt i-squct coeffici en t
anti-dive coefficie n t
fo ctorfor progressive ra tio of
speed
notch factor
air requirement
numb enng index
lon g itudinal s lip under ac ce te ra-
üng 01' hraking
g ear ratio
brak ingfacun:
number (ifcylinde rs
[ actor rep r es enting d ifferent Ioad
cases
air-fuel -ratio
total efficiency ofgeortroin and
fina l drive
effi cien cy (ife nergy trunsfonno-
tion (el urch)
effe ctive efficie ncy
effi cien cy oftotera tforce p ropo r -
tion ing
ch o rg ing efficiency
stroke -to -conmd rat io
1"OIIII1I etrie efficie ncy
aspect nuio of:a wing
gradotion l?f ratio ofspeed
h ra k e force [ractian front 01' r eal'
rutio in takt' period to Olle re vo lu-
tio n l?f cra nkshaft
Abkü rzungen , Form elzeich en und Einheit en
C/J Sp
Verhältni s der radbezo gene n Fcdc r tu-
nuio 0/ wheel spring ratesfron t/
tcn vorn e/hinten
re ar
Jl w,x
Haft reibungs za hl in Län gsr icht un g
c oeffic ient offriction in long it udi-
nal directian
I IW,Y
Haft reibu ngs za hl in Q uerri chtu ng
coefficient offriction in late ral
directi on
III
Lagerrei bu ngszah l
coefficient of 'friction for hearing
I /cl
Rei bu ngszahl de r K upplu ngssc he ibe n fric tion coefficient 01 clutch discs
v
Ant riebs momente nverteilung vo rne/ bias ofdriving torque fron t/rear
hinten
Sonst ige Größen
~
Cel sius-Temperat ur
Celsius t empe rat ure
°C
w
Kreisfreq uenz. Winkelge-
eire ula rfre quency
s-'
sch win dig keit
p
Dichte all gemein
density
kg/mJ
PL
Dichte de r Luft
density o f air
kg /m1
"
(Normal)Spannung
stress
N/m2
r
Schubspa nnung
shear stress
N/m2
A
Flüche
a r e a. cross-section ureu
m'
A,
Bruchdeh nung
ductile y ie ld. elo ngat ion IIr
%
rupt ure
u,
Längsbeschleunig ung allg.
longitu di nal acce lera tion in
m /s2
ge ne ral
u,
Querbeschle un ig ung
ia t eralac ce leratia n
m/s2
h,
spez ifischer Kraftstoff verb rau ch specificfuel consumption
kg/kWh
cß
Brenng esc hwin dig keit
burn ra te
m/s
CF
Flammen frontgeschwin digkeit
sp eed offt ome front
m/s
Cs
Lc n k u ngsstci fig kcit
st iJfne.u ofthe stee ring system
Nm/rad
c,
Sc hallgesc hwi ndig keit
so n ic speed
m/s
cT
Transportgeschwindigkeit
spe ed oftransport
m/s
E
Elas ti zitätsmodu l, E -Mod ul
modulus l?f elasticity: YOlmg' s
N/mm2
modulus
f
Frequenz
frel/ueney
Hz
g
Erdb e sch leuni gu ng
accelera tion d ue to gravuv
m /s2
G
Schubmodul
she armodulus
N/m2
HG Gemischheizwert
ca lo ri fic val ue ofmixture
J/mJ
1861
Anhang
11.
spe zifisc he r Heizwert
specific caiorific valu e
J/kg
I
axial es Flächent räg heits mome nt areu moment 0/ inert ia
mm''
J Bo•X
Masse nt rägheitsmom ent de s
dynamte mo m ell l ofin ertia 0/
kgm2
Wage nkast en s u m die X-Ac hsc body aroundthc longitudinal
asis
J Bo•Y
Massentr ägheitsmom ent des
dynamte momenr ofinertia (4' kg m 2
Wagenkast ens um d ie v -Achsc body araund tne transve rse osis
Jv.z
Masscnrr üghcitsrn om cnt des
dynamte moment (4' ineniu 0/
kgm2
Gesamtfahrzeugs um die Z-
veh icle a ro und the venicot axis
Ach se
,
Wärrncdu rchgan gsaa hl
heat transfer coefficient
W/(m2K)
'D
Dä mpfu ngsfa ktor
dumping vat ue
Ns/ m
N
spez ifische Brems leistu ng
specific s t opptng powe r
kw /cm-
"
Dreh- bzw , Schw ing ungszah l
re vohnions per minute 01' vibra- min - !
tio n frequen cy
nkrit
biegek ritische Drehzahl
c ritical rotational speedf o r ben- min - !
ding. whirling speed
n krit.ls
verd rehk ritische Dreh zahl
critical rota tiona l sp eedfor
min-!
torsion
P,
Motorleistung
effe ctive !m wer ofengi ne
kW
P hyd
hydra ulischer Druck
hydra/die p ressu re
N/em2
PI,
Verlu stleist u ng
powe r loss
W
P m.c
effek tiver Mittc1 druek
mea n effe c tive pressure
bar
PT
Luftdruck im Reifen
ryre pressure
bar
Po
Umgebungsd ruck (Luftdruck) ambient pressure
bar
q
Steig ung
g radient
%
Q
Wärm est rom
heat fio w
W
R,
Strec kg renze
yield s treng th
N/m2
RL
G askons tante de r Lu ft
g as COIlsrant (? f atr
k J/(kg K)
Rm
Z ugfest ig keit
uitimate tensile strength
N/m2
RpO.2
0.2 % Dehngrenze
0.2 % yield strength
N/m2
T
Temperatur (absolute)
thermodynamlc te mpe rature
K
Zeit
time
s
rv bzw. Fahrzeuggesch win d ig keit
long itudinal veloci ty
m/sbzw.
"x
km /h
vI)
Kolb eng esc hwi ndigkeit im
p tsson ve locity in shock ubsor-
m/s
Stoßd ämpfer
her
862 1
v
,.
m
"w
IV
IV
Ab kürzungen, Form elzeich en und Einheiten
Volumen
volume
I<dm'
Kom p res sions volumen
compression \ 'OI Il I1lI!
I<dm
Hubvolumen eines Zylinde rs
swe pt volnme % ne cylinder
I< dm
Hubvolumen des Motors
swept 1'01I/l1I1! 0/engine
Ie dm-
mi tt le re Kolben geschw ind ig keit 111('(/1/ piston velocity
m/s
Radumfangsgeschwindigkeit
circumjerentiat ryre vetocity
mfs
axiales Widcrstandsmomcnt
secnon modulus under bending m'
Arbeit
lI'ork
J
Sonstige Abkürzungen
UT
OT
Es
Eö
As
Aö
FVW
Unterer Totpunkt
Oberer Totp un kt
Einlass schließt
Einla ss öffnet
Auslass sch ließt
Auslass öffnet
Faserverbu ndwerkstoff
hO{/O/1/ dead ce ntre
top dead centre
intake cl oses
intake opens
exhaust cl os es
exhuust opens
jibre composite material
186 3
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1877
Sachwortverzeichnis
5-Sckllndcn-Rcgcl 9X
9S%-Man n 95
A
Abbrernsung 3<)3
A BC-Analyse 46
Abgasanlage 602 f.
Abgasturboauüadung 568,597
Abreißfolie 11;7
Abreißven til 86,751
-
, Kraftstoff 755
ABS 402
A BS-Brernsung 202
Abschleppösen XIO
Abstimmung 171 , X21 f.
Abstimmungsmaßnahme 829
Abstufung
-
, geometrische 51lX
-
, prog ressive 510
Abtr ieb 136, IX6
Abtriebsau ftei lung 173
Abmcbsbciwcrt 141
Abweiscr 162
Achsabstand 670
Achslager 483
Ach slast 2]
Achs lastverteil u ng 394
Achsschenkel 442
Achsschenkellenkung 442
Achsübersetzung 507
Achszapfen 271'1
Ackcrmann-Bcdingung 442
Acrodynamik 126
aerodynamische Balance 17]
aerodynamische Effizienz 172
aerodyn amische Einflüsse 126
Airbag 117
Airbox 132, 51'16
Airrcstrictor 13],
Air restrictor 592
Aktuator, hydraulischer 702
Allradantrieb 41N,724
- , Renneinsatz 727
Allradlenkung 485
Aluminium 61
Anfahrabstützwinkel 266
Anfah relement 499,640
Anfahrhilfe 73 1
Anfah rnickausgleich 266.274
Ansauganlagc 584
Ansaugtrichtergestaltu ng 59 1
Anstellw inkel 141
Anströmwi nkcl 141
Antihopping Ku pplung 643
Auti-Splittc rsichcrhcirsfolic 187
Antriebskonzept 19,639
Antricbskrafthcbclarrn 447
AntricbsschlupFrcgclung 732
Antriebsst rang 636
Antriebswellen 703
Aquaplaning 20(}
Armaturenbrett 117
A rmaturentafel 117
Armschlaufen 119
Aufbaufeder 301
Au fladung 595
- ', mechanische 597
Aufprallversuch 90
Aufstützeffekt 257
Ausgleichbehälter 4 14,617
Ausgleichswelle 570
Auslasskanal 552
Auslegung 53
- , überdrehende 506
- , unterdrehende 5U6
Außenbordbremse 436
Außenhaut 178
Autok laven 79\}
axiale Sicherung, Welle 721
Sachwo rtverzeichnis
B
Balance 327
Barrene 740. XI5
Bauchfreiheit 178
Baugruppen 13
Bauteilsicherheit 47
Beckengurt 119
Befestigung 14 5
Beingurt 11 9
Belastungstest 87
Berechnung 296
Bergehilfen X]()
Bergrennwagen 97
Beryllium 64
Beschleunigungsausgleich 268
Beschleunigungsvermögen 500
Besch leunigungswiderstand 4<.)4
beschrän ktes Versagen 49
Betätigungskräfte 408
Betriebsbremsan lage 392
Bezeichnungen
-', Felgen ll. Räder 196
- . Reifen 191
Biegeradien 771
Biegeschwingungen 674
Biegesteiligkeil 762,804
Biegewinkel. Wellen 673
Biss 408
Blec h ränder 789
Blippcr 666
Bodenabstand 253
Bodeneffekt 1]9
Bodenfreiheit 153,1 711 ,1116
Bolzcnzenmcrung 237
Bornbierung 7f/,6
Bonanzacffckt 711
Bordstei nabdrücktest 467
Breitreife n 195.218
Brcmsabstützwinkel 266
Bremsausgleich 2611
Bremsbelag 423
- , keramischer 425
-
c o rganischc r 40!l
Bremse. innenliegende 436
Bremseneinbau 435
Bremsenergier ückgewinnung 734 ff.
Bremsenkühlung 433
Bremsflüssigkeit 413
Bremskolben 422
Bremskraftbegrenzer 416
Bremskraftregler 416
Bremskraftverstärkung 4 10
Bremskraftverteilung 39f/,
Bremskraftverteilungsdiagramm 394.39S
Brcmskrcisauftcihmg 407
Bremsnickausgleich 266.274
Bremspedal 109
Bremsrohrleitungen 41S
Bremsrubbeln 426
Bremseartel 419
Bremsscheibe 427
-
, Temperaturerhöhung 412
Bremsscheibenfreigang 436
Bremsschcibcntemperaturfarbe 435
Bremsschlauchleitungen 418
Brennraum 541
Brennweg 542
bridging 1102
Buchsenverzug 533
Bug 149
C
CFK 63
CFK-Wel1cn 707
Cbrashvcrsuch X9
Cockpit 92
-
eines Formel-Fa h rzeugs 123
-
eines Produktionssportwagens 124
-
eines Tourenwagens 124
-
, geschlossenes 93
-
, offenes n
Cockpitklimatisicrung 171
Crashelement 73
Crirnpen 817
CVT 685
CVT-Getriebe 499
D
Dämpfer 309
-
. variable 3 15
Dämpferbauarten 315
Dämpferdiagrammc 320
Dämpferkennlinien 3 19
Dämpfkraft 314
Dämpfung, aperiodische 3 14
Datenaufzeichnung IB I
Dauerfestigkeit 53
Defo-Element 103
delaminieren 802
Delaminierung 795
Deut sc he To urenwa ge n Mastcrs 627
Diago n alr eifen 19R
Dieselmotoren 529
Differenzgewinde 52
Differenzial MN
-
, aktives 701
-
, momentenverteilendcs 701
-
, offenes 69 1
Dif fe re nzialbauw eis e 5R
Diffusor 152.184
DlC563
Doppclk upplu ngsgcmcb c 666
Doppclqucrtcnkcrachsc 3 43
Dragstcrrcnnen 211
Drall 543
Drehrichtung des Motors 636
Drehschieber 600
Drehstabfeder 304
Drehzahl
-
, biegekr itische 674 ,706
-
, k ritische 674
-
, to rsionskritische 708
Drchzahlgrcnzc 565
DrehzahJlimit 515
Dreifeder- Radaufhäng ung 337
Drei-F eder-Syste m 304
Drosselkla ppe 598
Drossclorgan 598
Drosselverluste 520
Druckans chlag 300
Druckpunkt 145.173
Druckstab 374
Druckstufbnvcmil 31R
Druckwellenauflad ung 597
Druckwinkel 287
Durc hbie g ung . Wellen 673
Durchzüge 790
dynam ischer Rollradiu s 190
t:
EelE17
Effizie nz 172
Eigenfrequenz 310
Eigenlenken 27 1
Eigenlenkverhalten 37 f., 4 74
- , Abhilfemaßnahmen 481
Einfluss des Motorsports R
Einfü llstutzen 751
Einlasskanal 547
Einlauflänge 211
Sachwortverzeichnis
Einpresstiefe 230
Einrohrdämpfer 317
Einscheibensicherheitsglas 187
Einschlag 347
Einschlagwinkcl 442
Einspurfahrzcugmodcll 29
Einzelz ylindcrvolumcn 526
Elastokincmarik 29,279
Endplatten 143
Endrohr 607
Energierückgewinnung 736
Energiespeicher 74 0
Entflammuugsphasc 537
Entlüftung 164, 171
-
, Getriebe 679
Entlüftungsbehälter 6 18
Entlüftungsventil. K r a ft sto ff 754
Entwurf 4 1
Ergonomie 94
Exzenterverschlus s 183
f
Fadenwinkel 198
Fahrbarken 37,523
Fahrerposition 95
Fahrkomfort 248
Fahrleistung 34 . 127,499,514,726,823
Fahrpedal 109
Fahrstabilität 29,402
Fahrverhalten 247
-
, neutrales 274
Fahrwerk 247
Fahrwerk sentwicklung 248
Fahrwiderstand 41;9
Fahrzeugentwicklung 10
Faserverbundwerkstoffe 61,794
Federauslegung 305
Federkennlinie 300
Federrate. progressive 300
Federstahl 3011
Federsteife 29
Federung 297
Federweg 313
Felge 230
-
, Bezeichnung 197
Felgendurchmesser 19()
Fensternetz 83
Fersenansehlag lOR
Festgelenk 716
Festigkeit 763
Sachwo rtverzeichnis
Feststellbremsanlage 392
Feuerlöscher 82
Flach bun dmutter 238
Flachbundschrauben 237
Flächent räghci tsmomcnt 762
Flachschieber 599
Flammschutzwand 73
Flcx lcit u ngen 418
Flügel 137
Flügelauto 138 f.
Flügelberechnung 157
Flügelgestaltung 14 2
Flyoff- Handb rcmsc 392
FMEA 46
For mel I 629
Formel 3 6 27
Formel Renault 6 27
For mschlupf 203
Frontantrieb 254
Frontdi ffusor 156
Frontflügel 146
Frontspoiler ISO
FrA 46
Füll~täbe 774
Füllungskana l 547
Fußhebel 4 13
Fußhebelwerk toe
Fußraum 98
G
Gasdruckdämpfer 317
Üasg esc hw indigkc u 549
Gehäuse . Get riebe 6RO
Gelenk 2 79
Gelenk kop fve rschraub ung 370
Gelenklager 366
Gelenksauswahl. We ll en 721
Ge mischbi ld ung 600
Gemischheizwert 519
Generator 816
Gesamtfahrwide rstand 495
Gesamtübersetzung 50 1
Geschwin digkeitssy mbol 193 f.
Ge t riebe
-
, Funktion 498
- , halbautomauschcs 734
Ge triebeanordnungen 656
Ge t riebelage r 6 7\
Getriebeplan 495
Getriebespreizung 502
Gewichtsoptimier ung 375
Gewichtsrückstellung 449
G F K-Wellen 707
Gitterrohrrahmen 759
Gleichlaufgelenk 457.716
Gleitbrett 185
Gleitreibu ngszah l 204
Gleitschlupf 203
Go ugh -Diag ramm 2 16
Grenzbereich 37
Grübchenbildung 669
G üt eg rad der Seitenkraftver teilung 264
Gummi 201
Gummilager 280
Gummiventile 228
Gum cylciste 148
Gusseisen 60
Gussrad 234
11
Haftreibungszahl 204. 488
Halteseile 84,361
H ANS-System 118
Hard Point Puckagc \6
Hardy-Schcibc 704
Haupt abmessunge n 32
Haup tbremszyl inde r 415
Hauptlager 584
Haup tschalter 75. RIR
Hec k 150
Hec kaufprallelement 73
Heckflo ss e 174
Heckflügel 146
Heckspoiler 151
Hilfsbremsa n lage 31)2
Hinterachse 261
Hochdrehzahlmotor 518
Hochleistungszweitakter 602
Höhen-Breitenverhältnis 195
Hohlwelle 711
H-Punkt 102
H-Sehal tung 114
Hub-Bohrungsve rhältn is 525
- . überquadratisches 51R
Hubschwingung 3 11
Hubza pfenversatz 568
Hüftgelenkspu nkt 102
Hum p 230
Hybrida ntrieb 736
Hyb r idlager 285
Hypoidkcgelrädcr Mn
I
Iruly-Car 632
Innenzahnr adpumpe 671\
Innovation 59
Instrumente 117
Integralbauweise 53.58
Intermediates 227
Iso-Oktan 624
.1
l-Turn 44U
K
Kabelbaum 814
Kamine 170
Kammseher Kreis 489
Kanalgestaltung 546
Kanalwinkel 540
Karbonbremsbelag 408
Kard angelenk 457
Karkasse 198
Karosserie 17R
Karts 693
Kastenrahmen 777
keramische Beläge 425
Kerben 51
Ker bst elle n 674
Kerbwirkungszahl 675
KERS 10. 734 ff.
Kippgrenze 32
Kle be n 1109
Klebeverbindung. Welle 7U9
Kleinwinkelgelenk 705
Klemm ve r bind ung . Welle 709
Klimaanlage 171
Klopfen 519
Klopffestigkeit 623
Knotenbleche 772
Kohlefaserk upplung 642
Kolben 576
Kolbenbolzen 580
Kolbenbolzensicherung 581
Kolbenring 579
Kollerneig ung 226
Kompaktlager 286
Ko n so le 311\ ,372, 8116
Konstruktionslage 300
Konstruktionsprinzipien 45
Sachwortverzeichnis
Kopieren 339
Körper gleicher Festigkeit 54
Kosten 66
Krafteinleitungselement 795
Kraftstoff 746
Kraftstoffpumpe 755
Kraftstoffsystem 744
Kraftstoffrank 746
Kraftstoffzumcssung 745
Kraftstoffzusammensetzung 517
Kreisfrequenz der Kur b e lwe lle 571
Kreuzgelenke 704
Kreuzstromwär merauscher 168
Kühlflüssigkeit 626
Kühlsy stem 168.616
-
, geschlossenes 616
Kühlwassermantel 553
Kugelbund 23 7
Kupplung 640
Kupplungsallswahl 649
Kuppl ungsbetätigung 649
Kupplungsmoment 648
Kurbelgehäuse 537,51l1
Kurbclrncb 567
Kurbelwelle 567
Kurvenfahrt 246
Kurven-Selbstsperrdifferenzial 698
L
Ludeluftkühlung 597
Ludungsbewcgung 542
Ladungstemperatu r 520
Lage des Motors 19
Lagenbuch 798
Lager . elastische 279
Lageranordnung 286
Lagerung. angestellte 287
Längenausgleich 713
L ängsfederung 280
L ängskrafthebelarm 447
Lastanteil 514
Lastfllllc , Räd er 236
Lastleitung 55
Lastschahgetriebe 666
Lastspiele 53
Lastwechsel 53
Latsch 197,253
Laufbuchse 583
Laufflachentemperatur 226
launch control 731
1883
Sachwo rtverzeichnis
Lc Mans 630
Lebensdauer 522
Leerl au f 660
Leiehrba u 53. 29\)
Leichtbaugüte 804
Leistung 515
Leistungsku rve 497
Leistungssteigerung 515
Lcisrungsübcrstcucm 270.44 4
Leistungsuntersteuern 4 8 6
Leitflächcn 162
Leitung, elektrische 817
Lenkachse 250
Len kanschl ag 467
Lenkdifferenzwinkel 442
Len keinschlag 347
Len kfehler 446
Len kg estänge-Ü bers etzung 473
Len kgetriebe 463
Lenkrad 102.485
Len kradnabe 460
Len kradschaltung 104
Lcn krollradius 250.345.446
Lenkspindel 457
Len k trapez 474
Len k iibe rsetzung 453
Lenkung 440
Lenku ngsdämpfe r 485
Len k ungsschw ingungen 484
Lenku ngsspiel 4 65
Len k unruhe 484
Lenkverhalten 830
Lenkwelle 4 57
Lenkwinkelsprung 440
Lichtmaschine 816
Liefergrad 520
Lifing 54
Löte n HI7
Luftspie l 406 .423
Luftaufwand 5 19,58\)
Lufteinlass 130
Luflleitelcm cnte 161
Lurtmcngenbcgrcnzc r 133,592
Luftwiderstand 128 , 4 9 1
Luftwidersta ndsbeiwe r t 492
'"Magnesium 61
Maßdefinitionen 17
8841
Masse 23
-i.rcduzic rrc 494
Massenred uktion 823
Maxima leinschlag 444
Mc phcrson -Achsc 342,3H4
Mehrlenkerachse 342
Mehrscheiben La melle n kupplung 642
Mehrschraubverbindung 237
Memb ranfede rkupplung 645
Methanol 624
Mindcsrfülldruck 192
Mitnchmerbolzen 239
Mitteldruck 5 17 f.
M MC 63,357
Momentanpol 255
Momentenkennlin ie 496
Monobloc kwellen 712
Monocoque 7\)3
Monofede r )04
Monofedersystem 336
Motorabdcckung 179
Motoranbindung 804
Motorenwahl 522
Motorlagen 19
Motorlageru ng 6 22
Mot orrn anagcmcn r 828
Motorraum 21
Motorstarl 621
Motorsteuergerät 828
Muffenkupplung 693
N
Nabe 353
NACA-Ein lass 130
Nach lauf 25 1,264.274
Nac hlaufwinkel 446
NASCA R 216,632
Nase 14 9
Nasssiedet emperatur 4 13
Nickachse 266
Nick bewegung 16 1
Nickempfindlichkeit 146, 161. 175
Nickpol 263
Nic ksc hwingung 311
Nietdurchmesser H06
Nilosringc 29 0
Nitromethan 624
Nutz brcmsung 735
o
O-Anordnung 2117
Oberfläch enbehandlung. Rahm e n 775
Oktanzahl 519. 623
Ölablaufb ohrunge n 678
Ölbedarf. Get riebe 672
Ölho bcl 6 12
p
Paekaging 43
Paneelen 778
Paralleleinschlag 445
Ped ale 1116
Pedal-Leerweg 422
Ped a lübersetz ung III
Perzenrite 95
Pleuel 574
Ple ue llä nge 536
Polsterung 78
Präzisioaskühluug 554
Prcprcgs 797
Pressverband 675
Pressverbindung. Wel le 710
Profild icke 140
Pro filt iefe 20 4
Profilzu stand 204
Pumpe 612
-
, Getriebe 67R
Punktlast 292
Pyrometer 435
Q
Querle n ker 34 5, 360
Querpolabst and 25 7
Que rpole 256
Querschnittsfo rm für Stäbe 762
Querschni ttsverhältni s 195
Quers pa nten 793
Quersp antfl äche 4Q2
Quetsch fläche 543
Quetschströmun g 537,543
R
Rad 134. 236
-
, Bezeichnung 196
-
, dr eiteiliges 235
Radaufhäng ung 133, 246
Radgelenk 2111
Radgröße 236
Sachwortverzeichnis
Radh au s 171
Radhausentlüftung 134, 171
Radh ubkinematik 271
Radhu bsch wing ung 310
Radial reifen 197
Radla ger 2112
Radl a st 27,211
Radla sthebelar m 449
Radla stm c ssz cllcn 29 7
Radla stschwankung 211, 313. 322
Radlastverlagerung 246 ,334
Rad sta nd 27,253
Rad stellung 249
Rad sturz 446
Radt räger 354
Radzen trieru ng 237
Rahm enballart 758
Randv e r steifu ngen 7lN
Redu ndanz 5U
Regelbereieh 510
Regenreifen 205.227
Reglement 5
Reibmoment. Wälzlager 283
Reibschicht 423
Reib sc h weiß verbin dun g . Welle 710
Re ibun g 201
-
im Kurbeltrieb 532
-
im Venti ltrieb 533
Reibungsbeiwert 202
Re ibun gskupplu ng M I
Reibungsverhalten . Bremsbelag 425
Reibungsverluste 532
Reifek urven 59
Reifen 197
- . Verlustleist u ng 221
Reifenart en 227
Reifenaufb au 197
Reifenaufstandsfläche 253
Reifenb ez eichn ung en 191
Reifenbreite 218
Reifendruekkontroll systeme 209
Reifenfed err ate 310
Reifenfülldruck 207
Reifengröße 225
Reifenk en nfeld 223
Reifentemp eratur 220
Reifentragfähigkeit In
Reife nwachstum 200
Rekup cricrcn 735
1885
Sachw ortverzeichnis
Rennreifen 195. 197
Reson anzaufladung 595
Rcnungslu ftbehältc r S3
Rippen 710:9
Rohrbögen 770
Rohren den 765
Roll Rock 339
Ro llach se 262
Rollneig ung 327
Rollradius. d y na m isch 190
Rollwider stand 212. 21S . 255. 489
Rollwiderstandsbeiwert 490
Rollzentrum 255. 273
Roll zentrumshöhe 274
R-Pun kt 102
Rückh alt esy stem e 117
Rücklieht 83
Rücksch lagventil, K ra ft sto ff 754
Rückst ellmoment 216.253
Rückwärtsgang 116
S
Sa mmelt opf. K raftstoffrank 749
Sandwichplatten 778
Saugroh r 58S
Saugroh rlänge 5SS
Saugroh rque rschnitt 5S8
Scallops 162
Schaltbewegung 115
Schaltgabel n 660
Schaltgasse n 659
Schaltgestänge 115
Schaltgelrieb e 656
-
, automat isiertes 6 54
Sch althebel 115
Sch altruc ken 511
Sch a ltung 114
-, äußere 659
-, in nere 659
-v
sequentiel le 116.661
Scha lt welle 660
Scheibenbremse 406
Scheibentemperatur 435
Schlauc hverbindung 6 20
Schlepphebel 556,564
Schle ppleist ungen 53 1
Schleuderplatte S29
Schlinge rn 4S5
Schlupf 203
Schmiederad 235
Schmicrölversorgung, Mo to r 610
Schmierstoffe 625
Schmierung, Getriebe 677
Schnellheber 8 10
Schnellverschluss 181,460
Schräganströmung 12 7
Schrägfcderungswinkcl 266
Schräglauf 2 12
Schrägl aufwide rstand 49 0
Schräglaufwinkel 252
Schraubenfede r 299
Schraubensicherung 85
Schraubverbindung 51
Schubfeld 760
Schubg lieder kette 685
Schürze 138 f.• 3 13
Schultergurl 119
Schutzpolsterung SO
Schwen k lager 277
Schwerpunkthöhe 23
-
, Motor 524
Schwerpunktla ge 23
Schwimm winkel 127
Schwinghcbc l 564
Schw ingrohraufladung 595
Schwingungsdämpfer 314
Schw ingungstilger 325
Schw ungrad 5 74, 740
Sechs- Pu nkt -Gurt 118
Seh nen länge 14()
Seiten kastcn 138
Seiten netz 83
Seitenschalen 164
Seite nscheiben I S7
Seitenverkleidungen 164
Seitenwellen 136 . 711
Se lbstsperrdifferenzia l 695
Sem i-Gürtel reifen 200
Sct-U p 821 f.
sicheres Bes te he n 47
Sicherhe it, aktive 246
Sicherheitsgurt 117
Sicherheitsklap pen S6
Sicherheitstank 750
Sicken 786
Siedever lauf 623
Silcntbloc 279
Silikonbremsflüssigkeiten 414
Sachwortverzeichnis
Simulation 36 . 174
Sitz 119
Sitzattrappe I1X
Sitzposition 11 7
Sitzreferenzpunkt 102
Sitzschale 101
Skelettbauweise 554
Slicks 202 .227
Sollbruchstellen 361
Spann ungskonzentration 51
Spannweite 140
Spantfl äche 4112
Sperrwert 694
Splitte r 163
Sportgesetz 3
Spreizung 250 ,265,502
Spreizungsachse 250
Sprcizungsvcrsarz 447
Sprcizungswinkel 446
Spülgefälle 602
Spurdifferenzwinkel 442
Spurhebel 473 .477
Spurstangen 473
Spurstangcnanbindungcn 4X2
Spu rwe ite 27,253.273
Stabilisator 326
-' , aktiver 329
-
. v e r stellbarer 33K
staggor 226
Stahl 60
Stahlguss 60
Starrachse 3X4
Starthilfen 204
Steckverbindung XI7
Steifigkeit . Rahmen 763
Steigungsw iderstand 493
Steigver möge n 50U
Stellung des Rads 249
Steuerleiten 560
StickstoftTüllu ng 2U9
Störk rafthebelarm 447
Stoßdämpfer 314
Stufenlosget riebe 510,6S5
Stufensprung 50S
Sturz 215.271
Sturzänderung 451
Sturzwinkel 250
Supereep 740
Synehron ringc 660
T
Tandem-Hauptbrem szylinder 415
Tassenstößel 556.563
Tauchplatte 151
TBR·Wert 694
Telemet rie 831
Temperatur 222
Temp e r aturblat t 226
Tiefb ett 230
Tilgenn asse 325
Titan 61
To rq ue Veetoring 729
Torsen 6l)9
Torsionssehwing ungen 674
Torsionsstabilisator 326
Torsionssteifigkeit 1\04
Trag fähig keit, Reifen 193 I,
Trugfähigkeits kennzahle n 192
Trägheitsmoment 29
Traglager 4K3
Traktionsregelung 204.732
Transax1c-Anord nung 703
Transax1cprinzip 20
Triangulic rung 760
Tripodengelenk 71X
Trockenkupplung 642
Trockenreife n 227
Trockcnsumpfölbchättc r 614
Trockensumpfschmie rung 610
Trommelbremse 405
Tu mblc 543
U
Überhang 178
Überlastbegrenzung 59
Überlaufbehälter 616
Überlebenszelle 74
Überrollbügel IH
Überrollkäfig 76
Überrollstrukturen KO
Übersetz ung 371\.455
-
, größte 503
- , kleinste 505
Übc rtrag un sg wir k ung sg r ad . Welle ngelenk 715
Umfangslast 292
Umlaufver nil 435
Umlenkhebel 377
Um st römung der Räder 135
Ungleiehfömigkeitsg rad 458
Sachwo rtverzeichnis
Unib all-Gelenke 366
Unterboden 151, lX4
V
Vent il 228
Vcnt i lanzahl 538
Ventilerhebung 557
Vent i lfeder 565
Vent ilfreigang 541
Vent ilquerschnittsfläche 527
Ventilsitzring 551
Vent ilspicl 565
Vent ilt rieb 554
Vent ilwin kel 53!!
Verbindung
- , einschnittige 369,807
-, zwei schnittige 807
Verbind ungen, Rohre 764
Verbindungstechnik 69
Verbrauchsm inimum 517
Vcrbrennungsschwerpunkt 538
Verbundbauweise 5R
Verbundlenkerachse 342 ,385
vcrbuudschcibcnsichcrhcitsglas 18 7
verbundwerksrotte 61
Verchromen 775
Verdic hter 596
Verdichtungsverhältnis 519,542
Vergasergröße 60 1
Verkabelung 814
Verkleidung ISI
Verluste 530
-
eines Scha ltgetriebes 6311
Vernic keln 775
Verschiebegelenk 716
Verschleißbre ite 650
Versc hleißbrett 184
Verschlüsse ISI
Verste ifungen. Rah men 771
Verstellgeschwindigkeit 510
Verte il u ngsdiagramm 3%
vis ko -clastischcs Verh alten 201
Vo lllastanteil 514
vollwelle 711
volumenausgleichsball 746
Vorlauf 251
Vorsp ur 254, 264 ,271
Vo rspu ränderung 27 1
888 1
W
Waagebalken IOQ
Waagebalkensystem 403
Wagenboden 184
Wählbeweg ung 115
w alk arbcit 208,218
Wälzkreisd urchmesser 671
Wandwärmeverluste 544
Wankachse 2 74
Wankmomen t 2 56
Wank winkel 335
Wankzentrum 255
W-Anordnung 704
Wärmeabfuhr [64
W är me ha ushalt. Bremse 4[2
Wärmetauseher 165,619
Wärmeübertr agungsleistung [6R
Welle-Nabe-Verbindung 721
Wellend ichtring 679
Wellendurchmesser 673
Wellengelenk 715
Wendekreisradius 28
Werkstoffe 60
Werkstoffkoste n 6R
Werkstoffvergleich 63
Werkstoffwahl 65
Wiggins 621
Windschatten 157, 175
Windschutzscheibe 187
Winglets 157
Wi rkungsgrad
-
, Antriebsstrang 63R
-
, effek tiver 519
Wölbung 140
World Rally Car 632
Z
Za h nbruchgrenze 669
Zahnräder 668
Z a h nradtrieb 554
Zahnriemen 554
Zahnstange nlenkgetriebe 4 66
Zahnstangcn1cnkung 463
Z-Anordnung 70 4
Zeit fcxtigkeit 53
Zenitwinkel [98
Zentralmurtcr 241
Zentral verschrauburig 23Q
Zentrierung, Rad 237
Zündkerz e 546
Zündve rzu g 537
Zugansch lag 300
Zug-Druck-Bowdenzug 116
Zugglicdcrkctte 685
Zugkrafldiagramm 4%.498
Zugkrafthyperbel 498
Zugkraftüberschuss 499
Zugkraftunterbreehung 663
Zugstab 374
Sachwortverzeichnis
Zusatzlenkanlage 486
Zuverlässigkeit 46
Zweirohrdämpfer 315
zweisch nitt ig 368
Zw ischengänge 50 7
Zylinderkopf 537
Zylinderkopfdichtun g 566
Zylinderkopfhaube 554
Zylinderzah l 526