Dienstag, 13.04.2010

Technik-Kolumne von mySPOX-User Manül

So funktioniert ein Formel-1-Getriebe

Wie funktioniert ein Formel-1-Motor? Wie viel besser sind Formel-1-Bremsen gegenüber normalen Bremsen? Warum sind die Reifen so entscheidend? Für alle, die die extreme Technik in der Formel 1 genauer verstehen wollen, erklärt mySPOX-User Manül - in der Community hoch geschätzter Experte für technische Fragen - in seiner Technik-Kolumne auf SPOX spannende Details, die einen Formel-1-Boliden zu einem Wunderwerk der Ingenieurs-Kunst machen. Teil 2: Der Antrieb mit Kupplung, Getriebe und Differential.

Ein Ferrari-Mechaniker bei der Arbeit am Getriebe des roten Renners
© Imago
Ein Ferrari-Mechaniker bei der Arbeit am Getriebe des roten Renners
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Liebe SPOX-Leser,

Mehrfach habe ich aus der Community Anfragen bekommen, ob ich denn nicht mal Formel-1-Technik genauer erklären könne, oder bin darum gebeten worden, mal über das ein oder andere Technikthema etwas zu schreiben. Ich bin sehr stolz, Euch nun zusammen mit der SPOX-Redaktion gleich eine ganze Technik-Serie präsentieren zu können und dafür auch eine entsprechende Plattform geboten zu bekommen.

Damit Ihr die Rennen vielleicht mit einem anderen Fokus verfolgen könnt und die Formel 1 von ihrer interessanten Seite kennen lernt, werde ich in den nächsten Wochen einen kleinen Einblick in die Einmaligkeit der Technik geben. Dann verschwinden vielleicht die vorschnellen Schmährufe auf bestimmte Regeländerungen.

Kommentare wie "bei Testfahrten geht es doch um nichts" oder "wow, ist Team XY weit hinten" wird der eine oder andere vielleicht nach dem Lesen meiner Texte überdenken. Bei genauerer Betrachtung kann man jeder einzelnen Runde Erkenntnisse abgewinnen über die Probleme, Entwicklungen und Vorteile der einzelnen Teams. Testfahrten und Trainings sind mehr wert als jedes Rennen, egal wie viele Punkte man holt.

In den nächsten Wochen wünsche ich Euch also viel Spaß mit meinem Versuch, die Spannung und das Interesse an der Formel 1 zu erhöhen. Bei inhaltlichen Unklarheiten scheut Euch bitte nicht, die Kommentarfunktion zu nutzen und zu fragen.

Im ersten Teil der Serie habe ich Euch schon den Motor erklärt. Im zweiten Teil geht es um den Antrieb. Das heißt: Kupplung, Getriebe und Differential.

Der Antrieb

Das Herz eines jeden Formel-1-Boliden ist der Motor. Das sollte die Minimalerkenntnis aus der letzten Folge gewesen sein. Doch was nützt die Antriebsenergie des Motors, wenn sie nicht auf die Straße gebracht wird? Lassen wir also diese Rhetorik und kommen einfach zum Punkt:

Denn wie so ziemlich jeder normale Straßenwagen auch, so verfügen F-1-Fahrzeuge zur Kraftübertragung von Motor bis zu den Reifen ebenfalls über Kupplung, Getriebe und Differential. Obwohl auch in diesem Bereich auf den ersten Blick funktional quasi keine Unterschiede zu einem Straßenwagen erkennbar sind, kann wohl so ziemlich jeder erahnen, dass der Antriebsstrang in einem F-1-Renner sich deutlich unterscheidet. Werfen wir nun gemeinsam einen Blick auf die verschiedenen Komponenten:

VIDEO: So funktioniert eine Kupplung

Die Kupplung: Die Kupplung ist die direkte Verbindung zwischen Motor und Getriebe. Dabei sind die Anforderungen an dieses Teil besonders hoch. Einerseits auf Grund der hohen Arbeitstemperaturen jenseits von 500 Grad Celsius, andererseits auf Grund des geringen Gewichts von nur knapp über einem Kilogramm.

So sieht eine Formel-1-Kupplung aus
So sieht eine Formel-1-Kupplung aus
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Die beiden Hersteller AP racing und Sachs fertigen die Lamellenkupplungen aus Karbon für die Teams an. Der Vorteil gewebter Kohlefasern sind ein hoher Reibwiderstand und hohe Temperaturstandfestigkeit. Im Vergleich zu anderen Materialien halten Karbonbeläge dreimal mehr Druckbelastung aus (6 N/mm²). Die mehrfachen Lagen sorgen für eine gleichmäßige Verteilung der Kräfte auf mehrere Ebenen und erhitzen nicht ganz so stark.

Dabei ist eine moderne F-1-Kupplung so kompakt wie nirgendwo anders. Dieses Exemplar aus der Saison 2008 ist knapp unter 10 Zentimeter groß im Durchmesser (vgl. Abbildung).

Ein weiterer Unterschied zur Straßenvariante ist der Kupplungsvorgang selbst. Die Piloten haben lediglich Gas- und Bremspedal im Cockpit. Die Gangwechsel geschehen halbautomatisch über Schaltwippen hinter dem Lenkrad. Der Kupplungsvorgang wird bei Betätigung der Wippen automatisch über die Software gesteuert. Seit 2007 gibt es bei den Hochschaltvorgängen keine Zugkraftunterbrechungen mehr. Im Getriebe sind für kurze Zeit (eine Hundertstel) zwei Gänge gleichzeitig eingelegt (bei Druck auf die Wippe). Die einzelnen Gangräder verfügen über ein Verdrehspiel zur Welle und können so erst ausgekuppelt werden, wenn der nächst höhere Gang bereits eingelegt ist.

VIDEO: So funktioniert ein Getriebe

Das Getriebe: F-1-Getriebe sind sequentiell, das bedeutet, dass nur direkt benachbarte Gänge geschaltet werden können (also 1-2-3-4-5-6-7 bzw. 7-6-5-4-3-2-1). Kommt ein besonders kluger Pilot also auf die Idee, besonders schnell herunterzuschalten, so fliegt ihm die Gearbox um die Ohren.

Im Gegensatz zur Kupplung bauen die meisten Teams die Getriebe in Eigenregie oder in Kooperation mit spezialisierten Firmen (z.B. X-trac). Alle F-1-Teams fahren inzwischen mit sieben Gängen plus Rückwärtsgang und Neutralstellung. Als Werkstoff dienen Titanium-Magnesium-Kombinationen, auf Grund ihrer extremen Stabilität. Denn wie in der letzten Folge (Motor) erwähnt, ist die Hinterradaufhängung an der Getriebeeinheit montiert, die folglich das gesamte Gewicht tragen muss.

Die Übersetzung (also die Abstimmung der Zahnräder aufeinander) ist je nach Strecke unterschiedlich. Der erste Gang ist so abgestimmt, dass er aus der langsamsten Kurve der jeweiligen Strecke die beste Beschleunigung bietet; der siebte Gang ist so eingestellt, dass das Drehzahllimit am Ende der schnellsten Passage so gerade erreicht wird. Diese Abstimmungsarbeit geschieht meist im Werk vor den Rennwochenenden mit Hilfe von Daten aus der Vorsaison und Computersimulationen. Feinjustierungen sind nur je nach Windstärke/-richtung nötig.

Alle Fahrerhelme der Saison 2010
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Das Differential: Das Differential in einem Straßenwagen regelt normaler Weise die gleichmäßige Drehgeschwindigkeit gegenüberliegender Räder bei zum Beispiel einer Kurvenfahrt. Man spricht hier von einem offenen Differential. Rennwagen - F-1-Boliden mehr als in jeder anderen Rennserie weltweit - funktionieren dagegen meist mit sogenannten Sperrdifferentialen.

Die Traktion bei der Beschleunigung aus einer Kurve heraus wird durch unterschiedlich schnelle Reifendrehgeschwindigkeiten optimiert. Das Differential reguliert eine Kurvenfahrt durch verschiedene Vorspannungen und verhindert beispielsweise zu schnelles Durchdrehen des kurveninneren Rades wegen weniger Reibung (z.B. bei Luftstand), ohne die Motorendrehzahl zu drosseln.

Die Sperrung des Differentials erfolgt über ein elektrohydraulisches Servoventil; auch unter Moog-Valve bekannt (Prinzip des Negativ-Feedbacks; siehe auch Control Theory). Soviel zur Abschreckung! Hier seht ihr die generelle Funktionsweise eines Differentials.

Die Energie über den Antriebsstrang wird auf die Antriebsachse (in der Formel 1 nur die Hinterachse) unterschiedlich stark übertragen. Das kurvenäußere Rad muss mehr Wegstrecke zurücklegen als das kurveninnere Rad und müsste sich somit schneller drehen.

Die Differenz der zwei Drehgeschwindigkeiten wird über das Differential geregelt. Die überschüssige Energie des Rades mit weniger Schlupf wird auf das Rad mit mehr Grip umverteilt.

Die Abstimmung des Sperrdifferentials ist ein elementarer Bestandteil der Abstimmung des Autos auf den eigenen Fahrstil. Je höher die Sperrwirkung, also die Vorspannung, desto mehr Drehmoment kann das Differential beim Herausbeschleunigen auf das kurvenäußere Rad verteilen, was ein übersteuerndes Giermoment zur Folge hat; je geringer die Vorspannung, desto eher neigt das Fahrzeug zum Untersteuern.

Wichtig bei der Abstimmung sind jedoch nicht nur Gierrate (Winkelgeschwindigkeit eines Fahrzeugs um die Hochachse), sondern auch Reifenabrieb, Traktion und Abstimmung auf die Bremsbalance. Die Einstellung des Differentials darf ab Beginn des Qualifyings nicht mehr verändert werden, ist also auch mit Bedacht auf unterschiedliche Handlingeigenschaften unter wechselhaftem Wetter und Betankungsgewicht zu wählen.

Durch den verlängerten Radstand der 2010er Boliden wird die Spannweite der Abstimmungsmöglichkeiten ein wenig eingeschränkt. Auch die schmaleren Vorderreifen provozieren ein nervöseres Heck, weswegen der sensibleren Abstimmung dieser Komponente eine besondere Bedeutung zukommt. Habt ihr übrigens gewusst, dass Nico Rosberg beim Test in Jerez einen ganzen Vormittag mit Fokus auf diesen Aspekt investiert hat?

Rund um Haftung und Handlingeigenschaften geht es auch in der nächsten Folge. Thema: die Reifen

 

Steckbriefe aller Fahrer und Teams

mySPOX-User Manül

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