So funktionieren die Formel-1-Reifen

Von mySPOX-User Manül
Donnerstag, 29.04.2010 | 15:42 Uhr
Reifenhersteller Bridgestone beendet zum Saisonende sein Engagement in der Formel 1
© Getty
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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 3: Die Reifen.

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 ging es um den Antrieb. Jetzt, im dritten Teil, stehen die Reifen auf dem Programm.

Reifen

Einleitung: Eine entscheidende Komponente bei der Übertragung der Kraft vom Motor auf die Straße haben wir bisher noch nicht behandelt. Das schwarze Gold, rollender Klebstoff oder Kaugummirolle - die Liste der "Spitznamen" für einen Rennreifen könnte ich noch lange fortsetzen.

In der beiden vergangen Folgen ging es um Energieerzeugung (Motor) und Energieübertragung (Antriebsstrang). Die Übertragung auf die Straße erfolgt jedoch nur über die Reifen; wie soll es bei einem Auto auch anders sein? Für diese Saison verändert sich erstmals wieder nach Jahrzehnten das Größenverhältnis zwischen Vorder- und Hinterreifen. Doch an der generellen Funktionsweise eines Reifens ändert das nichts.

Wenn ich die zwei wichtigsten Aspekte eines Rennreifens nennen müsste, würde ich Haftung und Abrieb wählen. Unter dem Begriff Haftung würde ich ganz allgemein die Stärke der chemischen Verbindungen zwischen Reifen und Untergrund verstehen, unter Abrieb die Haltbarkeit und Verformungseigenschaften. Beide Begriffe definieren die Eigenschaften eines jeden Reifentypus individuell anders. Einflussfaktoren sind Werkstoffe, Mischverhältnisse, Druck, Temperatur, Fahrstil, Sturz, Spur und viele mehr.

Mischung: In der 2009er Saison wurden mehr als 100 verschiedene Stoffe in einer Reifenmischung kombiniert. In deren Repertoire stünden mehr als 220 verschiedene Materialien. Nun kann man sich vorstellen, wie komplex dieses Thema ist und aus wie vielen Richtungen und mit wie vielen verschiedenen Schwerpunkten man sich dem ganzen nähern kann.

Eben in dem Mischungsgeheimnis eines jeden Reifens liegt auch die Herkunft des Begriffes "schwarzes Gold". Die generelle Struktur eines Reifens ist jedoch immer gleich. Die Karkasse besteht meist aus Nylon und Polyester und ist netzförmig gewebt. Die eigentliche Gummimischung besteht grundsätzlich immer aus Karbon, Öl und Schwefelstoffen. Im Vergleich zu Straßenreifen muss ein Rennreifen deutlich höhere Kräfte vertragen (Querbeschleunigung bis 6G, Vertikalbeschleunigung bis 5G), muss aber auch nicht 20000 Kilometer und mehr aushalten, sondern (in der Formel 1) nur wenige hundert Kilometer.

Je nach Härtegrad, Straßeneigenschaften und Temperatur unterscheiden sich somit die Inhaltstoffe der Reifenmischungen extrem, worauf ich allerdings nicht weiter eingehen möchte. Viel eher finde ich es wichtig, die Funktionsweise für Fahrer und Team zu beleuchten.

Temperatur: Die Fahrer sprechen immer von Temperaturfenstern. Gemeint ist die ideale Arbeitstemperatur der jeweiligen Mischung, die durch die Abstimmung und den Fahrstil, also die je nach Fahrer unterschiedliche Belastung definiert wird. Ein Trockenreifen funktioniert je nach Mischung zwischen 90 und 100 Grad ideal, ein Regenreifen zwischen 30 und 50 Grad.

Die Temperaturen werden pro Reifen in Innen-, Mitten- und Außentemperatur unterschieden, sowie zwischen Vorder- und Hinterreifen. Sind die Vorderreifen wärmer als das hintere Paar neigt das Fahrzeug zum Übersteuern, umgekehrt zum Untersteuern. Sind die Temperaturen auf den Laufflächen zu unterschiedlich verteilt (von Innen nach Außen sollte der Unterschied nicht bei mehr als 7 Grad liegen), sind der Reifenabrieb und damit die Haltbarkeit deutlich schlechter als theoretisch möglich.

Diese Temperatureigenschaften werden durch Sturzwinkel, Spurwinkel und Reifendruck beeinflusst. Niedriger Druck (1,1kg/cm²) erhöht die Auflagefläche/Haftung jedoch auch gleichzeitig den Abrieb; hoher Druck (+0,3Kg/cm²) bewirkt die jeweils gegenteilige Wirkung. Wichtig: Der Druck nimmt mit der Temperatur zu!

Befüllung: Eine besondere Eigenart bei der Füllung von Rennreifen ist die Nicht-Verwendung (!) von normaler Luft, wie beispielsweise bei Straßenfahrzeugen an der Tankstelle. Da die Luftfeuchtigkeit je nach Befüllungszeit und -ort variiert, sind somit trotz gleicher Mischung unterschiedliche Fahreigenschaften die Folge. Bridgestone füllt die Reifen mit getrockneter Luft und immer gleichen Feuchtewerten (so unsinnig dieses Wort bei der Beschreibung für trockene Luft auch erscheinen mag).

Die Teams (vor allem in anderen Rennserien) experimentieren zudem mit eigenen Gasmischungen (z.B. Nitrogenium, Karbondioxid, Sauerstoff, usw.). Hauptgrund sind bessere Kalkulationsmöglichkeiten der Dichteverhältnisse im Reifen mit zunehmender Temperatur. Die FIA erlaubt in der Formel 1 lediglich Nitrogenium und Karbondioxid.

Es liegt also in der Hand der Teams, das Temperaturfenster der jeweiligen Reifenmischung durch die Kombination optimaler Kompromisse in den erwähnten Bereichen zu erzielen. Das Resultat sind optimale mechanische Haftfähigkeiten des Reifens. Besondere Schwierigkeit in der Formel 1 für Ingenieure und Fahrer liegt in der Verwendungspflicht von unterschiedlich harten Mischungen im Verlauf eines Rennens.

Das Temperaturfenster muss für weiche und harte Mischungen erreicht werden. Sturz und Spur können aber während eines Rennens nicht verändert werden. Es liegt also einerseits am Reifendruck, andererseits am Fahrstil und dem Haushalten des Piloten, beide Reifentypen auf Arbeitstemperatur zu bringen. Funktioniert dies nicht, so sieht man Button am Nürburgring mal im Rennen Schlangenlinien fahren oder Alonso in Singapur quer stehen.

Aerodynamik: Eine weitere wichtige Bedeutung des Formel 1 Reifens ist aerodynamischer Natur. Denn im Gegensatz zu Tourenwagen oder ALMS Prototypen sind Formel 1 Boliden "Openwheeler", also mit frei im Wind stehenden Reifen. Die Strömungslenkung über und um die Reifen war und ist der aerodynamische Faktor, der den Aerodynamikern den größten Verbesserungsspielraum bietet, zugleich aber auch die größten Komplikationen in der Luftführung verursacht.

Für 2010 sind die unterschiedlich dimensionierten Reifen zudem Neuland (Vorderreifen 2cm schmaler). Der von Brawn eingeführte zweiteilige Frontflügel, als auch die Bargeboards vor den Seitenkästen und Spiegelhalterungen dienen der verbesserten Luftführung um die Reifen und gelten als wegweisende Detaillösungen der vergangenen Saison.

Bei den vergangenen Testfahrten waren viele verschiedene Frontflügelvariationen zu sehen und Vertikalfinnen um den Luftfluss - auch zu Kühlungszwecken für die Bremskühlung - zu verbessern (vgl. besonders FW32 & MP4-25).

Auflagefläche: Überhaupt ist die Form des Reifens nicht einfach nur rund! Nicht nur aus der aerodynamischen Sichtweise (um die es heute nicht gehen soll) spielt die Form eine Rolle, sondern auch was die Auflagefläche angeht. Denn über diese Fläche erfüllt ein Reifen seine vier Hauptaufgaben: Übertragung von Beschleunigung sowie Verzögerung auf die Straße, das Gewicht des Wagens (deutlich erhöht durch Downforce-Effekte) federn und Richtungswechsel umsetzen.

Da das Reifenmaterial beweglich ist, verändert sich die Größe der Auflagefläche je nach Kräften. Das kurvenäußere Rad hat, bedingt durch Sturzwinkel und mehr Last, eine größere Auflagefläche, als das kurveninnere und hat damit mehr Haftungskraft. Doch mehr Auflagefläche ist nicht gleich mehr Grip. Irgendwann wären Rollwiederstand und Luftwiederstand so groß, dass der Reifen eher eine bremsende Wirkung haben würde, abgesehen davon ist die Größe des Reifens sowieso reglementiert.

Rauigkeit des Belags und Streckencharakteristik: Nach welchen Kriterien aber wählt der Reifenlieferant die Mischungen für ein Rennwochenende nun aus? Generell spielen dabei zwei Faktoren eine Rolle: Rauigkeit des Straßenbelages und Streckencharakteristik. Je rauer beziehungsweise je kurvenreicher eine Strecke ist, desto härter, also wiederstandfähiger, muss die Reifenmischung sein.

Als besonders rau und daher reifenmordend zählen beispielsweise die Kurse in Silverstone und Barcelona. Monaco und Montreal dagegen haben eine vergleichsweise glattere Oberfläche. Diese Charakteristiken einer Strecke ändern sich aber unter zeitlichen Gesichtspunkten. Generell ist neuer Asphalt dunkler als älterer (Valencia) und erhitzt sich daher stärker. An einem Rennwochenende nimmt die Rauheit in der Regel auch ab, da mehr Gummiabrieb den Belag glättet. Neue Asphaltierung bedeutet in der Regel ölhaltigeren Belag und somit weniger Grip.

Der Albtraum eines jeden Ingenieurs und Fahrers sind folglich unterschiedliche Asphaltierungen auf der Strecke oder im Vergleich zum Vorjahr, da so die Reifentemperaturen schlechter berechnet, erreicht und somit nicht das Optimum an Leistung erzielt werden können.

Auf neuen Strecken, neu asphaltierten Strecken oder durch sich ändernde Wetterbedingungen (ein nächtlicher Schauer spült beispielsweise Gummiabrieb von der Strecke) gibt es immer wieder vorgezogene Boxenstopps, Reifentemperaturprobleme oder extrem unterschiedliche Rundenzeiten (die Quali könnte z.B. sehr schlecht sein, der Rennspeed aber sehr gut, aufgrund anderer Luftdruck- oder Gripverhältnisse - wie im Vorjahr häufig bei Nico Rosberg gesehen.).

Fazit: Ein Reifen muss also unter Berücksichtigung vieler Kompromisse auf die ideale Arbeitstemperatur gebracht werden, um die Leistung eines Formel-1-Autos überhaupt perfekt auf die Straße übertragen zu können! Mischung, Konstruktion, Druck, Temperatur, Streckenbeschaffenheit, Sturz und viele weitere Faktoren bis hin zum Fahrstil eines jeden Piloten müssen in jeder einzelnen Ausfahrt unter einen Hut gebracht werden. Das hat sich auch 2010 nicht geändert.

Um die Verbindung zwischen Reifen und Fahrzeug geht es in der nächsten Folge.

Steckbriefe aller Fahrer und Teams

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