Was ist die Bodenfreiheit in der Formel 1?

In der Formel 1 ist die Bodenfreiheit der Abstand zwischen dem Fahrzeugboden und der Streckenoberfläche. Diese scheinbar einfache Messung spielt eine entscheidende Rolle für die Leistung eines Fahrzeugs, da sie sowohl die aerodynamische Effizienz als auch den mechanischen Grip beeinflusst. Eine niedrigere Bodenfreiheit bringt den Schwerpunkt des Autos näher an den Boden, was die Stabilität, die Kurvengeschwindigkeit und das Bremsverhalten verbessert. Andererseits bietet eine höhere Bodenfreiheit mehr Bodenfreiheit, was auf unebenen Strecken wie in Monaco entscheidend ist.

Moderne F1-Autos verlassen sich stark auf aerodynamischen Abtrieb, um hohe Kurvengeschwindigkeiten zu erreichen. Der Unterboden des Fahrzeugs erzeugt einen Bodeneffekt, der die Luft kanalisiert, um erheblichen Abtrieb zu erzeugen. Dieser Effekt ist jedoch äußerst empfindlich gegenüber der Bodenfreiheit. Eine niedrigere Bodenfreiheit erhöht den Abtrieb, während eine Erhöhung den aerodynamischen Grip verringert.

Die Bodenfreiheit beeinflusst auch den mechanischen Grip des Fahrzeugs:

• Niedrigere Bodenfreiheit:
  • Reduziert den Schwerpunkt des Autos, verbessert die Stabilität und minimiert die Wankbewegung.
  • Verbessert den Grip aufgrund erhöhten Abtriebs.
• Höhere Bodenfreiheit:
  • Ermöglicht mehr Federweg, sodass das Fahrzeug Unebenheiten besser bewältigen kann.
  • Reduziert den Gesamtabtrieb und damit den mechanischen Grip.

Formel-1-Teams stehen vor dem heiklen Balanceakt, die Bodenfreiheit richtig einzustellen. Ist sie zu niedrig, riskiert das Auto aufzusetzen, was die Leistung negativ beeinflusst und mögliche Schäden verursacht. Ist sie zu hoch, verliert es wertvollen Abtrieb und Grip.

Bei nassen Bedingungen erhöhen die Teams die Bodenfreiheit, um Aquaplaning zu verhindern. So kann Wasser ungehindert unter dem Boden hindurchfließen und verhindert, dass das Auto auf einer Wasserschicht „aufschwimmt“.

Der Unterschied in der Bodenfreiheit zwischen Vorder- und Hinterachse wird als Rake-Winkel bezeichnet:

• Positiver Rake: Höhere Bodenfreiheit hinten verlagert das Gewicht nach vorne, verbessert das Bremsverhalten und die Kurvenstabilität.
• Gleiche Höhe vorne und hinten: Verteilt das Gewicht gleichmäßig.
• Negativer Rake: Eine höhere Bodenfreiheit vorne wird im Rennsport in der Regel nicht verwendet.

Die Optimierung der Bodenfreiheit in der Formel 1 erfordert das perfekte Gleichgewicht zwischen Abtrieb, mechanischem Grip und Federweg. Teams passen diesen Parameter sorgfältig an, um die Leistung in Abhängigkeit von den Streckenbedingungen und der Rennstrategie zu maximieren. Das Verständnis und die Beherrschung der Bodenfreiheit sind entscheidend, um ein siegfähiges Fahrzeug zu liefern.

Erklärung der Bodenfreiheit bei Formel-1-Autos

Wenn ein Rennwagen eine enorme Menge an Abtrieb erfährt, ändert sich die Bodenfreiheit ständig. Wenn das Auto schnell fährt, wirken aerodynamische Kräfte auf das Fahrzeug, die es nach unten drücken.

Daher wird die tatsächliche Bodenfreiheit durch die zu jedem Zeitpunkt auf das Fahrzeug wirkenden aerodynamischen Kräfte bestimmt. Einfach ausgedrückt: Die ideale Bodenfreiheit hängt von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ab. Die Herausforderung für den Ingenieur besteht also darin, die Bodenfreiheit für alle Bedingungen möglichst nahe an der Idealhöhe einzustellen.

Die statische Bodenfreiheit kann durch Verlängerung der Pushrods der Federung mit Abstandshaltern oder Unterlegscheiben verändert werden. Normalerweise werden die Federungsstangen nur um ein halbes Millimeter verlängert. Ein typisches Formel-1-Auto fährt mit einer statischen Vorderachs-Bodenfreiheit von 30 bis 35 Millimetern und einer hinteren Bodenfreiheit von 75 bis 80 Millimetern.

Die dynamische Bodenfreiheit hingegen wird durch die Härte der Fahrwerksfedern (je härter die Federn, desto widerstandsfähiger gegen Abtriebskräfte) und den Reifendruck bestimmt, da erhöhter Reifendruck die Reifen steifer macht. Härtere Federn und höherer Reifendruck wirken zusammen, um größere dynamische Bodenfreiheit zu erzeugen.

Aber das Fahrzeug so niedrig wie möglich zu fahren, gilt nicht unbedingt für das gesamte Auto. Das vordere Ende muss so tief wie möglich sein, aber das hintere Ende hat normalerweise eine höhere Bodenfreiheit. Dies ermöglicht eine bessere Funktion der Unterboden-Aerodynamik. Der Unterschied zwischen der vorderen und hinteren Bodenfreiheit wird als Rake bezeichnet. Idealerweise fährt das Fahrzeug mit einem positiven Rake besser.

Technische Aspekte der Bodenfreiheit in der F1

Die technischen Aspekte der Bodenfreiheit in der Formel 1 drehen sich um das komplexe Zusammenspiel aus Aerodynamik, mechanischem Grip und Federweg. Hier ein Überblick über diese Elemente:

Bodeneffekt

• Der Bodeneffekt ist das aerodynamische Prinzip, das den Abtrieb maximiert, indem es den Luftstrom unter dem Auto kanalisiert.
• Eine geringere Bodenfreiheit verstärkt diesen Effekt, indem sie eine engere Abdichtung zwischen Fahrzeugboden und Strecke schafft, was die Luftgeschwindigkeit erhöht und erheblichen Abtrieb erzeugt.
• Der Bodeneffekt ist jedoch äußerst empfindlich gegenüber Änderungen der Bodenfreiheit. Eine geringfügige Erhöhung kann den Abtrieb drastisch verringern und zu einem Verlust an Grip führen.

Aerodynamik

• Abtriebserzeugung:
  • Der Unterboden und der Diffusor eines F1-Autos sind so konstruiert, dass sie bei niedriger Bodenfreiheit maximalen Abtrieb erzeugen.
  • Wenn das Auto jedoch aufsetzt, wird der Luftstrom unter dem Auto turbulent, wodurch der Abtrieb verloren geht und die Stabilität beeinträchtigt wird.
• Widerstandsminderung:
  • Eine geringere Bodenfreiheit minimiert den Luftwiderstand und verbessert die Geradeausgeschwindigkeit.
  • Eine höhere Bodenfreiheit erhöht hingegen den Luftwiderstand durch weniger effizienten Luftstrom.

Mechanischer Grip

• Federungssysteme:
  • Das Pushrod- oder Pullrod-Federungssystem hilft dabei, optimalen mechanischen Grip zu erhalten, indem es die Reifen in Kontakt mit der Straße hält.
  • Hydrauliksysteme stabilisieren das Fahrzeug zusätzlich und verhindern übermäßige Wankbewegung.
• Gewichtsverteilung:
  • Eine geringere Bodenfreiheit senkt den Schwerpunkt, verbessert Kurvengeschwindigkeiten und Bremsstabilität.
  • Ein positiver Rake (hinten höher als vorne) verlagert das Gewicht nach vorne und sorgt für besseren Grip der Vorderreifen.

Porpoising

• Porpoising beschreibt das heftige Auf- und Abschwingen eines Fahrzeugs durch wechselnde aerodynamische Kräfte.
• Wenn das Fahrzeug zu tief liegt, wird der Luftstrom unter dem Boden gestört, was einen plötzlichen Abtriebsverlust verursacht und das Auto über die Strecke springen lässt.
• Teams passen die Bodenfreiheit und Federungshärte sorgfältig an, um dieses Phänomen zu minimieren.

Federweg

• Die Bodenfreiheit beeinflusst direkt den verfügbaren Federweg.
• Ist die Bodenfreiheit zu niedrig, könnte die Federung auf Anschlag gehen, kann keine Unebenheiten mehr ausgleichen und beeinträchtigt so die Bodenhaftung der Reifen.
• Ingenieure stimmen die Bodenfreiheit mit der Federhärte ab, um ausreichenden Federweg und aerodynamische Effizienz sicherzustellen.

Überblick über Vorschriften zur Bodenfreiheit

Die FIA (Fédération Internationale de l’Automobile) regelt die Bodenfreiheit streng, um Fairness und Sicherheit zu gewährleisten. Diese Vorschriften wurden über die Jahre weiterentwickelt und berücksichtigen neue aerodynamische und sicherheitsrelevante Erkenntnisse.

Aktuelle FIA-Vorschriften

• Plankdicke:
  • Alle Formel-1-Autos müssen einen an der Unterseite angebrachten „Plank“ aus einem holzähnlichen Material (auch als „Skid Block“ bezeichnet) besitzen.
  • Die Planke muss mindestens 10 mm dick sein.
  • Übermäßiger Abrieb, der die Planke um mehr als 1 mm reduziert, führt zur Disqualifikation.
• Messung der Bodenfreiheit:
  • Die Bodenfreiheit wird nach dem Rennen gemessen, indem an bestimmten Stellen die Dicke der Planke überprüft wird.
  • Teams verwenden „Skid Blocks“ oder Titanplatten, um den Verschleiß der Planke zu minimieren und eine zu starke Reduktion zu verhindern.

Grenzen der Einstellungsmöglichkeiten

• Parc-fermé-Bedingungen:
  • Nach dem Qualifying unterliegen die Fahrzeuge den Parc-fermé-Bestimmungen, die Änderungen an der Bodenfreiheit bis zum Rennende einschränken.
  • Nur kleinere Anpassungen wegen Wetterveränderungen sind erlaubt.
• Technische Direktiven:
  • Die FIA kann bei Verdacht auf Regelumgehung strengere Vorschriften zur Bodenfreiheit verhängen.

Beschränkungen aerodynamischer Tests

• Windkanal-Tests:
  • Teams dürfen nur eine gewisse Anzahl von Windkanalstunden pro Saison durchführen, was es erschwert, die optimale Bodenfreiheit zu entwickeln.
• CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics):
  • Auch die Anzahl der CFD-Simulationen ist begrenzt.
  • Diese Beschränkungen führen dazu, dass Teams ihre Ressourcen effizient einsetzen müssen, um die Bodenfreiheit aerodynamisch zu verbessern.

Verbot aktiver Federung

• Aktive Federungssysteme, die die Bodenfreiheit automatisch an Bedingungen anpassen konnten, wurden 1994 verboten.
• Teams verwenden heute passive Systeme, was die Einstellung der Bodenfreiheit zu einer manuellen und strategischen Aufgabe macht.

Vorschriften der Bodeneffekt-Ära (ab 2022)

• Die 2022er Vorschriften führten den Bodeneffekt zurück und legten den Fokus auf Unterbodenluftströmung.
• Damit wurde die Bodenfreiheit noch entscheidender:
  • Diffusor-Tunnel-Größe: Die Größe der Diffusorkanäle unter dem Fahrzeugboden ist streng reguliert, um übermäßigen Abtrieb zu verhindern.
  • Flexibilitätstests: Es werden Tests durchgeführt, um zu gewährleisten, dass Teams keine flexiblen Böden zur Umgehung der Vorschriften einsetzen.

Formel-1-Bodenfreiheit FAQs

Was verursacht ungleichmäßige Bodenfreiheit?

Die Beziehung zwischen Bodenfreiheit und Aerodynamik ist komplex. Ingenieure verwenden eine aerodynamische Karte, die zeigt, wie der Abtrieb in verschiedenen Kombinationen mit den aerodynamischen Konturen des Fahrzeugs wirkt, um die optimale Bodenfreiheit zu bestimmen. Anhand dieser Ergebnisse wird anschließend der Rake des Fahrzeugs eingestellt.

Wird kein optimales Abtriebsverhältnis zwischen Front und Heck gefunden, leidet die Performance. Wenn der Abtrieb ungünstig wirkt, wird das Lenken schwieriger.

Die aktive Bodenfreiheit unterscheidet sich von statischer und dynamischer Bodenfreiheit dadurch, dass sie unter allen Rennbedingungen konstant bleiben soll, während die Federung stark genug ist, um Erschütterungen aufzunehmen.

Wenn das System eine aerodynamische Last erkennt (z. B. Abtrieb), versteift sich die Federung automatisch. Signalisiert das Fahrwerk allerdings bevorstehende Unebenheiten, lockert sich die Federung wieder. Diese Mehrfachfunktionalität vereint die Vorteile beider Welten in einem System.

Die Hauptfunktion der Federung besteht jedoch nicht im Fahrkomfort, sondern darin, das Fahrzeug mit seinen Reifen zu verbinden. Dies mag unbedeutend erscheinen, aber es setzt das Zusammenspiel mehrerer komplexer Systeme voraus, um ein schweres Auto sicher mit hoher Geschwindigkeit über die Strecke zu bewegen.

Übersetzung aus dem englischen Artikel “What Is Ride Height In F1?“