Formel 1: Auf der Suche nach der idealen Konfiguration

Ein Rennwochenende beginnt nicht mit dem Qualifying; das Streben nach maximaler Leistung beginnt, sobald das Auto auf die Strecke geht. Daher sind die Rundenzeiten aus dem freien Training und der Vorsaison nur ungefähre Anhaltspunkte, da jedes Team unzählige Einstellungsvarianten testet.

Zündeinstellung, Leistungsgenerator

Die erste mechanische Komponente, die jedes Team modifizieren kann, ist der Antriebsstrang, ein V6-Turbo-Hybridmotor in Kombination mit einem Elektromotor, der auf vielfältige Weise konfiguriert werden kann. Obwohl die Vorschriften größere Entwicklungen stark einschränken, haben die Ingenieure dennoch Möglichkeiten, das Beste aus dem Aggregat herauszuholen. Der einflussreichste davon ist die Zündeinstellung, die in Grad gemessen wird und angibt, wie viele Grad vor dem oberen Totpunkt (dem höchsten Punkt des Kolbens) die Zündkerze zündet. Einfach ausgedrückt: Eine frühere Zündung sorgt für mehr Leistung, aber wenn man es zu weit treibt, riskiert man Klopfen, d. h. eine unkontrollierte Selbstentzündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches, die einen Zylinder und den gesamten Motor buchstäblich zerstören kann. Die Sicherheitsgrenze für die Zündvorverstellung variiert von Rennstrecke zu Rennstrecke, insbesondere in Abhängigkeit von Schwankungen der Umgebungstemperatur. Die Getriebeübersetzungen hingegen können nur einmal pro Saison durch einen „Joker”-Wechsel geändert werden und sind daher keine Variable von Rennstrecke zu Rennstrecke.

Die Radgeschwindigkeit als zuverlässiger Indikator

Jedes F1-Auto ist mit unzähligen Sensoren ausgestattet, die Daten wie Federweg, Lenkwinkel, Bremstemperatur, Reifendruck usw. erfassen. Unter all diesen Informationen sind die Daten zur Geschwindigkeit der vier Reifen am aussagekräftigsten. Sie zeigen Blockierungen und Schleudern an und vermitteln ein klares Bild vom Verhalten des Autos.

Die Ingenieure verwenden diese Daten beispielsweise, um zu überprüfen, ob das Differential beim Bremsen fast blockiert ist, sich dann in der Kurve allmählich öffnet und am Kurvenausgang wieder blockiert. Sie überprüfen auch die Bremsleistung: Ein leichtes Blockieren der Vorderräder am Ende einer Bremszone ist akzeptabel, aber ein Blockieren der Hinterräder zu Beginn des Bremsvorgangs ist ein Alarmsignal, das das Vertrauen des Fahrers untergräbt.

Das Geheimnis: ein ausgewogenes Auto

Das Hauptziel ist es, ein gut ausbalanciertes Auto zu erhalten, das nicht auf extremen Einstellungen basiert, sodass es auf verschiedenen Streckentypen und unter verschiedenen Bedingungen wettbewerbsfähig ist. Ein Auto, das trotz Einschlagen der Vorderräder weiter geradeaus fährt, wird als „untersteuernd” bezeichnet, während das Gegenteil, d. h. wenn die Hinterräder in einer Kurve durchdrehen, als „übersteuernd” bezeichnet wird. Die Fahrer haben ihre persönlichen Vorlieben, aber im Allgemeinen ist ein untersteuerndes Auto langsamer, aber toleranter, was das Risiko von Fahrfehlern verringert. Die typische Gewichtsverteilung in der Formel 1 liegt zwischen 44 % und 48 % auf der Vorderachse. Die Teams können diese Verteilung während eines Rennwochenendes leicht verändern, indem sie das Gewicht innerhalb des Chassis verlagern.

Aerodynamische Balance als Schlüssel zum Erfolg

Jedes Team beginnt die Saison mit einem aerodynamischen Gesamtkonzept, das die Konstruktion des Monoposto bestimmt. Von Grand Prix zu Grand Prix verfeinert das Aerodynamik-Konstruktionsbüro das Auto, um es an die spezifischen Anforderungen jeder Rennstrecke anzupassen, während die Renningenieure in Absprache mit dem Fahrer die Winkel der Front- und Heckflügel anpassen. In der Formel 1 kommt der Abtrieb hauptsächlich aus drei Bereichen: dem Frontflügel, dem Heckflügel und dem Diffusor. Der Diffusor sorgt für „kostenlosen” aerodynamischen Abtrieb, ohne den Luftwiderstand zu erhöhen, während eine Vergrößerung des Anstellwinkels der Spoiler sowohl den aerodynamischen Abtrieb als auch den Luftwiderstand erhöht, was sich negativ auf die Geschwindigkeit auf geraden Strecken auswirkt (denken Sie an das DRS). Die Auftriebs-/Widerstandskurve (L/D) der Spoiler flacht mit zunehmendem Winkel ab, was bedeutet, dass jede zusätzliche Einheit an aerodynamischem Abtrieb bei höheren Einstellungen mehr Widerstand kostet.

Für jede Rennstrecke wird ein Ziel-L/D-Verhältnis festgelegt: etwa 1:1 für Monaco, wo die Höchstgeschwindigkeit keine Rolle spielt, und bis zu 4:1 für Monza, wo die Geschwindigkeit auf geraden Streckenabschnitten von entscheidender Bedeutung ist. Dieses Ziel dient als Richtlinie für die Einstellungen des Heckflügels; der Frontflügel wird dann so eingestellt, dass das gewünschte aerodynamische Gleichgewicht erreicht wird, das in der Regel 3 bis 4 % unter der Gewichtsverteilung des Autos liegt, um es in schnellen Kurven stabil zu halten. In der Praxis stellen die Teams den Frontflügel so ein, dass er die Komfortgrenze des Fahrers erreicht und so den Gesamtabtrieb maximiert. Auf nasser Fahrbahn wird die Balance um 2 bis 3 % reduziert, um das Untersteuern zu erhöhen und dem Fahrer zu helfen, die Kontrolle zu behalten.

Ein richtig definierter Rollzentrum und alles funktioniert perfekt

Ohne auf geometrische Details einzugehen, ist das Rollzentrum der Punkt, um den sich das Chassis von einer Seite zur anderen neigt, wenn das Auto eine Kurve fährt. Die richtige Positionierung dieses Punktes gewährleistet ein vorhersehbares Handling und einen reibungslosen Betrieb. Wenn ein Formel-1-Auto eine Kurve fährt, entscheidet der unsichtbare Kampf zwischen den Rollzentren und dem Schwerpunkt des Autos darüber, ob die Maschine rutscht oder schwankt. Die Teams verbringen unzählige Stunden damit, den Rollzentrumspunkt, der sich immer unterhalb des Schwerpunkts befindet, anzupassen, denn je näher die beiden Punkte beieinander liegen, desto weniger rollt das Chassis von einer Seite zur anderen. In der Praxis zwingt ein höherer Rollzentrumspunkt die Aufhängungsarme dazu, einen größeren Teil der Last zu tragen, was die Arbeit der Stoßdämpfer erleichtert und das Auto stabiler hält. Da der Schwerpunkt eines Autos durch seine Konstruktion festgelegt ist, können die Ingenieure nur die Rollzentren beeinflussen. Dazu verändern sie die Geometrie der Dreieckslenker, passen den Sturz der Räder an und spielen vor allem mit den Stabilisatoren. Das Ziel ist einfach: Der vordere Rollschwerpunkt soll angehoben werden, um ihn näher an den Schwerpunkt zu bringen und so die Reaktionsfähigkeit der Vorderachse zu verbessern, während der hintere Rollschwerpunkt bewusst niedriger gehalten wird. Diese Flexibilität im Heckbereich begünstigt ein leichtes Wanken, das die Masse beim Beschleunigen nach hinten verlagert und so die Traktion verbessert.

Das Ergebnis ist eine Verteilung der Rollsteifigkeit, die die Vorderachse begünstigt (in der Regel mehr als 50 %), während die Hinterachse flexibler bleibt, damit die Hinterreifen beim Beschleunigen fest auf dem Boden bleiben. Weniger Karosseriebewegungen bedeuten auch eine sauberere Aerodynamik; ein stabiles Fahrwerk durchschneidet die Luft mit weniger Turbulenzen. Ein zu steifes Fahrwerk würde jedoch die Fähigkeit der Federung verringern, Unebenheiten auszugleichen, wodurch das Fahrzeug auf unebenem Untergrund schwieriger zu fahren wäre. Stabilisatoren sind das schnellste Mittel, um zwischen den Sessions spontan Anpassungen vorzunehmen. Wenn ein Auto übersteuert, lockern die Ingenieure den hinteren Stabilisator, um der Hinterachse mehr Grip zu verleihen. Umgekehrt wird hartnäckiges Untersteuern durch Lockern des vorderen Stabilisators korrigiert. Auf nasser Fahrbahn kann der hintere Stabilisator sogar komplett abgeschaltet werden, um übermäßiges Übersteuern zu begrenzen.

Die Einstellung der Radgeometrie, ein weiteres Element der Feineinstellung, bleibt trotz des Verbots des DAS-Systems von Mercedes nach 2020 wichtig. Der Spurwinkel beschreibt den Winkel, den die Räder mit der Längsachse des Autos bilden, wenn man es von oben betrachtet. Der vordere Spurwinkel (bis zu ca. 2°) richtet den inneren Vorderreifen auf den Scheitelpunkt der Kurve aus, bevor der Fahrer lenkt, und verbessert so das Einlenken in die Kurve. Der hintere Spurwinkel, der ebenfalls auf ca. 2° begrenzt ist, hilft, Übersteuern entgegenzuwirken, indem er die Hinterräder beim Bremsen aufrichtet und so die Kontaktfläche in diesem kritischen Moment maximiert. Die Einstellungen werden über das Lenkgestänge vorgenommen und mit einer „Angelrute” gemessen, müssen jedoch unter Berücksichtigung des Reifenverschleißes ausgeglichen werden.

Der Sturz, d. h. die Neigung der Räder zur vertikalen Ebene des Autos, wenn man es von hinten betrachtet, ist ein weiterer wichtiger Faktor für die mechanische Haftung. Moderne F1-Autos fahren mit negativem Sturz, insbesondere an der Vorderachse, wodurch sichergestellt wird, dass der Außenreifen in Kurven flach auf der Strecke bleibt. Der innere Reifen erhält zwangsläufig einen positiven Sturz, aber seine geringere Belastung maximiert die Gesamthaftung. Auf Rennstrecken mit langen Geraden und geringem aerodynamischen Abtrieb erhöhen die Teams häufig den negativen Sturz, um die mechanische Haftung auszugleichen. Allerdings dürfen sie es damit nicht übertreiben: Ein zu starker negativer Sturz beeinträchtigt die Aerodynamik des Autos und kann zu einer Überhitzung der Reifenseitenwände führen. Aus diesem Grund legen Hersteller wie Pirelli strenge Grenzwerte fest.

Schließlich sorgt der Nachlaufwinkel, also die Neigung der Linie, die die oberen und unteren Befestigungspunkte der Vorderradaufhängung verbindet, für zusätzliche Stabilität. Ein positiver Nachlaufwinkel, bei dem der obere Punkt weiter hinten liegt, verhält sich ähnlich wie die Gabel eines Motorrads, hilft den Vorderrädern, sich automatisch zu zentrieren, und sorgt für ein besseres Fahrgefühl. Obwohl er weitgehend in der Konstruktionsphase des Autos festgelegt wird, können die Teams den Nachlaufwinkel während der Entwicklung noch verfeinern, um zusätzliche Kontrolle zu erreichen.

In ihrem unermüdlichen Streben nach Geschwindigkeit sind jeder Millimeter Rollzentrum, jeder Grad Spur- oder Sturz und jeder Bruchteil eines Nachlaufwinkels Hebel, die die Teams betätigen, damit ihre Autos auf der Strecke bleiben und ihre Konkurrenten überholen. Hinter jeder rasanten Runde eines Grand Prix verbirgt sich ein stilles Orchester von Feinabstimmungen, bei denen die Ingenieure mit einem Dutzend miteinander verbundener Variablen jonglieren, um die maximale Leistung aus einem Formel-1-Auto herauszuholen. Die aussagekräftigste dieser Variablen ist der Reifen, der einzige Kontaktpunkt zwischen der Maschine und dem Asphalt. Da der Gummi das einzige Element ist, das mit der Rennstrecke in Kontakt steht, bestimmt sein Verhalten den schmalen Grat zwischen Haftung und Katastrophe. Wenn die Temperatur eines Reifens die Schwelle von 100 °C überschreitet, erreicht eine schnelle chemische Reaktion ihren Höhepunkt und bietet ein kurzlebiges Fenster maximaler Haftung. Sobald die Reaktion abgeschlossen ist, härtet die Mischung aus und signalisiert den unvermeidlichen Boxenstopp. Die Teams suchen daher nach der perfekten Einstellung des Reifendrucks bei hohen Temperaturen: Ein niedrigerer Druck vergrößert die Kontaktfläche, was die Haftung verbessert, aber die Reaktionsfähigkeit beeinträchtigt und den Verschleiß beschleunigt, während ein höherer Druck die Kontaktfläche verringert, was das Fahrgefühl verbessert, aber auf Kosten der Traktion geht. Durch die Anpassung des vorderen und hinteren Drucks verändern sie auch die Balance des Autos: Eine weichere Vorderachse begünstigt das Übersteuern, während ein niedrigerer Hinterraddruck dazu neigt, das Fahrzeug zum Untersteuern zu bringen.

Das Bremssystem ist ebenso instabil, da es auf Carbonbremsscheiben basiert, deren Reibungskoeffizient je nach Temperatur stark variiert. Innerhalb desselben Bremsbereichs kann die Bremsscheibe von einer haftenden zu einer rutschenden Bremsung übergehen, und diese Diskrepanz wird von Kurve zu Kurve, von links nach rechts und von vorne nach hinten noch verstärkt. Um das Gleichgewicht der Bremsen in einem sehr engen Bereich aufrechtzuerhalten, liefern die Hersteller Scheiben mit unterschiedlichen Durchmessern und Perforationen, die jeweils für eine bestimmte Art der Wärmeableitung ausgelegt sind. Doch selbst die am besten konstruierte Scheibe kann „verglasten”, d. h. sich mit einer rutschigen Schicht überziehen, die sie fast unbrauchbar macht – ein Zustand, der sich während der Fahrt kaum rückgängig machen lässt. Moderne F1-Fahrzeuge mildern diese Schwankungen durch eine Kombination aus mechanischen Vorderradbremsen und einem Hecksystem, das herkömmliche Scheiben und Bremsbeläge mit einer Rückgewinnung kinetischer Energie kombiniert. Die Brake-by-Wire-Einheit (BbW) interpretiert die auf das Pedal ausgeübte Kraft, die aktuelle Rückgewinnungsstrategie und die gewünschte Bremskraftverteilung, um den hinteren Druck mit äußerster Präzision zu modulieren und eine Konsistenz zu bieten, die vor zehn Jahren noch undenkbar gewesen wäre. Die Geometrie der Aufhängung sorgt für eine weitere Komplexitätsebene. Die Ingenieure sind bestrebt, die Fahrzeugfront so nah wie möglich an der Fahrbahn zu halten und die Fahrzeughöhe so niedrig wie möglich zu halten, ohne dass der Frontspoiler beim Bremsen oder über Unebenheiten schleift. Das Heck ist leicht angehoben, um den Diffusorwinkel zu optimieren und den Anpressdruck zu verbessern. Um dieses empfindliche Gleichgewicht zu erreichen, ist es oft notwendig, einen dritten Stoßdämpfer vorne zu installieren, eine Vorrichtung, die weit mehr tut, als nur Unebenheiten zu absorbieren. Durch die unabhängige Einstellung von Druck- und Zugstufe kann der Stoßdämpfer die Reifen erwärmen, ihren Verschleiß beeinflussen und die Unter- oder Übersteuerungseigenschaften des Autos subtil verändern. Jede Einstellung wirkt sich auf das Fahrwerk aus und beeinflusst das Fahrgefühl, die Bremsleistung und die aerodynamische Effizienz. All diese Hebel (Nachlaufwinkel, Reifendruck, elektronisch gesteuerte Bremseneinstellungen, Stoßdämpfereinstellungen) sind keine isolierten Knöpfe, sondern Teil eines komplexen, ineinandergreifenden Systems. Die Herausforderung für die Ingenieure besteht darin, sie so aufeinander abzustimmen, dass der Fahrer konstante Rundenzeiten fahren kann und gleichzeitig die Reifen für den letzten Teil des Rennens schont. Der Fahrer wird so zum wertvollsten Sensor der Rennstrecke, der die nuancierten Reaktionen des Autos in Daten umsetzt, die die Ingenieure dann in Einstellungen umwandeln können. In der hart umkämpften Welt der Formel 1 wird der Kampf ebenso in den datenreichen Boxen wie auf der Rennstrecke ausgetragen, wobei jeder Millimeter und jedes Millibar für das Podium zählt.