Technische Referenz

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Option Wind

Der Wind trägt viel zum Reiz des Spiels bei; weil er bei er bei jedem Rennen eine andere Stärke und Richtung hat. Besonders auf unsymmetrischen Strecken wie Blackwood kann schon die Option “Wenig Wind“ die Rundenzeit um über eine Sekunde verkürzen (Schiebender Rückenwind auf der Geraden und eventuell den Abtrieb fördernder Gegenwind im kurvigen Teil) oder im umgekehrten Fall verlängern. Daher sollte der Wind für die Optimierung und den Vergleich eines Setups auf jeden Fall deaktiviert werden. Im Gegensatz zur Realität gibt es außerdem keine kurzfristige Wettervorhersage, so das man sein Setup nicht an die Windverhältnisse anpassen kann.

Auswahl der Strecken

Die Strecken unterscheiden sich nicht nur im Verlauf sondern auch in der Griffigkeit und Unebenheit des Bodens, was in der Regel eine sorgfältige Anpassung des Setups erfordert. Die Auswirkung auf die Fahrzeuge ist jedoch in erster Näherung übertragbar. hat man bei einem Typ festgestellt, dass eine Strecke einen um 10 mm erhöhten Federweg erfordert, dann sollte man bei einem anderen Typ mit ebenfalls um 10 mm erhöhtem Federweg beginnen.

Abkürzungen

FWD Front Wheel Drive = Frontangetriebenes Fahrzeug
RWD Rear Wheel Drive = Heckangetriebenes Fahrzeug
2WD Fahrzeug mit zwei angetriebenen Rädern
4WD Fahrzeug mit vier angetriebenen Rädern

Der Effekt der Lastabhängigkeit

Die Kräfte, die die Reifen zwischen Fahrzeug und Fahrbahn übertragen, sind von überragender Bedeutung für das Verhalten von Fahrzeugen.
Es sind dies:

  • Beschleunigungs- bzw. Verzögerungskraft
  • Seitenführungskraft

Sie hängen unter anderem ab von:

  • Belastung (Tragkraft)
  • Schräglaufwinkel
  • Luftdruck im Reifen
  • Temperatur des Reifens

Entsprechend wichtig ist ein quantitatives Verständnis für die Zusammenhänge.
Die zugehörigen Messungen werden von den Reifenproduzenten auf speziellen Testständen unter genau kontrollierten Bedingungen durchgeführt. So wurden auch die im Folgenden verwendeten Daten des britischen Reifenhersteller Avon Tyres [Avo01] ermittelt.
Ein solcher Teststand besteht im wesentlichen aus

  • einer angetriebenen Rolle möglichst großen Durchmessers und geeigneter Oberfläche, die die Straße simuliert
  • einer Radaufhängung, die es ermöglicht, Belastung, Schräglaufwinkel und Sturz einzustellen
  • angebaute Sensoren für die resultierenden Kräfte.

Belastung und Sturz wurden oben schon behandelt, der Schräglaufwinkel ist der Winkel um den die Drehachse des Rades gegen die Drehachse der Trommel verdreht ist - vergleichbar zur Lenkbewegung der Vorderräder. Der Schräglaufwinkel ist die Voraussetzung für das Auftreten der Seitenführungskraft und entspricht der Winkeldifferenz zwischen den Tangentialgeschwindigkeiten der Rolle und des idealisierten Rades als Verlängerung der Felge. So ist er auch ein Maß für die innere Verwindung des Reifens die auftritt um den Ausgleich zwischen den divergierenden Geschwindigkeiten zu schaffen.

Abbildung 1: Seitenführungskraft abhängig von der Last Abbildung 2: Verhalten des Verhältnisses zur Last

Abbildung 1 zeigt den Zusammenhang für drei verschiedene Belastungen. man erkennt:

  • Beim Schräglaufwinkel Null ist die Seitenführungskraft praktisch Null.
  • Die Seitenführungskraft wächst mit der Belastung, was nach dem Reibungsgesetz zu erwarten ist
  • Die Seitenführungskraft steigt mit wachsendem Schräglaufwinkel zunächst proportional an, zeigt aber bei großen Winkeln ein Sättigungsverhalten. Der Bereich der Sättigung entspricht dem Grenzbereich des Fahrzeugs; dieses nicht lineare Verhalten trägt wesentlich zur Herausforderung bei das Fahrzeug dort zu beherrschen.

Dividiert man die Seitenführungskraft aus Abbildung 1 durch die zugehörige Lastkraft dann sollte nach dem Reibungsgesetz für alle Lasten stets die gleiche Kurve resultieren. Abbildung 2 zeigt aber eine geringfügige aber bedeutsame Abweichung: Die Seitenkraft zeigt in Abhängigkeit von der Last ein Sättigungsverhalten, das Verhältnis nimmt für größere Lasten ab! Ursachen sind:

  • Wachsende Verformung unter der Last

Die verformenden Kräfte wachsen mit der Last an, dem gegenüber wächst die Steifigkeit des Reifens nur geringfügig mit dem sich unter Last erhöhenden Luftdruck an. Der Reifen wird weicher und der Schräglaufwinkel erhöht sich; beziehungsweise es verringert sich bei gleichem Schräglaufwinkel die normierte Seitenkraft. ???

  • Erhöhter Abrieb des Reifens, der die Reibungskraft verringert:

Die Theorie der Reibung basiert auf dem Modell das sich die Spitzen der rauhen Fahrbahn in den Gummi des Reifens graben und dort einen Formschluß bilden. Je höher die Reifenlast desto tiefer graben sich die Spitzen ein, so das die Reibungskraft proportional zur Reifelast ist. Dies findet seine Grenze in der Materialfestigkeit des Gummis. Mit erhöhter Belastung kommt es häufiger zum Abreißen von Gummiteilchen, dem Abrieb, was die Reibungskraft verringert. Im Extremfall bildet der Abrieb selbst eine die Haftung vermindernde Barriere zwischen Fahrbahn und Reifen.

Beide Effekte beeinflussen die Beschleunigungskraft ebenfalls nachteilig. Dies ist die schon angesprochene Lastabhängigkeit der Reifenkräfte.
Hier ein Beispiel, abzulesen aus den Abbildungen 1 für den Schräglaufwinkel: 7°:

Last [kN] 1,0 2,0 3,0
Seitenkraft [kN] 1,66 3,09 4,33

Betrachtet werden zwei Achsen mit einer Last von jeweils 4 kN:
Die erste hat eine Gewichtsverteilung von 2 kN zu 2 kN woraus eine Gesamtseitenkraft von 6,18 kN folgt. Die zweite hat eine Gewichtsverteilung von 1 kN zu 3 kN, woraus eine Gesamtseitenkraft von 5,99 kN folgt. Das sind zwar nur etwa 3,2 % weniger aber man sollte berücksichtigen dass

  • Rennfahrzeuge fast permanent im Grenzbereich betrieben werden und das sich der Haftungsverlust eines Rades schlagartig auf die gesamte Achse und meist auch auf den Rest des Fahrzeugs überträgt.
  • eine um 3% verringerte Seitenkraft bei einer Rundenzeit von einer Minute einen Verlust von etwa einer Sekunde ausmacht (sofern man ständig im Kreis fährt).

Fazit: Die Lastabhängigkeit der Reifenkräfte bewirkt, dass ein Paar von Rädern mit gleich aufgeteilter Belastung höhere Kräfte übertragen kann als eines bei dem die Belastung ungleich aufgeteilt ist. Die Wirkung unterschiedlich steifer Stabilisatoren auf das Unter- bzw. Übersteuerverhalten von Fahrzeugen beruht ausschließlich auf diesem Effekt!

Abbildung 3: Abhängigkeit der Seitenführungskraft vom Sturz

Abbildung 3 zeigt quantitativ den Einfluss des Sturzes auf die Seitenführungskraft. Ein hoher Sturz erhöht die Seitenführungskraft in die eine Richtung und verringert sie in die andere Richtung. Das die Seitenführungskraft beim Schräglaufwinkel null erst bei einem Sturz von circa zwei Grad verschwindet kann durch eine Konizität im Reifen selbst oder durch eine nachgiebige Radaufhängung des Teststandes verursacht sein.

Wechselwirkungsmatrix

Matrix.gif

Diese Matrix dokumentiert die Abhängigkeiten der einstellbaren Fahrzeugparameter voneinander. Sie zeigt, welche anderen Parameter nach dem Ändern eines Parameters wahrscheinlich zu korrigieren sind.

Die Bewertungen sind sicher subjektiv; sie zeigen aber meines Erachtens doch sehr schön, welches der einflussreichste Parameter ist (Abtrieb) und welcher Parameter am meisten beeinflusst wird (Reifendrücke). Das die Reifendrücke auf der Skala der beeinflussenden Parameter auf Platz vier stehen erklärt, warum man die Drücke stetig nachregulieren sollte. Andererseits stehen auf Platz zwei und vier der einflussreichen Parameter ausgerechnet die Werte, die am schlechtesten nachzuregulieren sind weil deren Optimum schwer zu erkennen ist und sie sich obendrein auch noch extrem beeinflussen (Federlänge und Federkraft). Das zeigt, wie komplex das Problem, ein optimales Setup zu finden, trotz aller Bemühungen noch ist.

Reifentypen

Die verschiedenen Reifentypen unterscheiden sich in Grip, Abnutzungsverhalten sowie optimalen Temperaturbereich. Weichere Reifen (höhere optimale Temperatur) nutzen sich schneller ab, als härtere.

Reifentyp     Optimale Temperatur
Offroad              40°C
Gemischt             50°C
Straße Normal        50°C
Straße Super         60°C
Slick R1             70°C
Slick R2             85°C
Slick R3             100°C
Slick R4             115°C

Aufhängungstypen

Doppelquerlenker

Doppelquerlenker Der Doppelquerlenker erlaubt dem Konstrukteur des Fahrzeugs (leider nicht dem LFS Benutzer) den effektiven Sturz abhängig von der Querbeschleunigung zu optimieren. Macht man beide Arme gleich lang, dann überträgt sich die Querneigung der Karosserie 1:1 auf den Sturz. Der Trick ist nun, den unteren Arm etwas länger als den oberen zu machen. Dadurch bewirkt ein Einfedern eine Verringerung des Sturzes (mehr negativen Sturz), was sich an den kurvenäußeren Rädern positiv bemerkbar macht. man kann die negative Sturzänderung sehr schön in LFS in der Box beim "Test" beobachten.

MacPherson Federbein

MacPherson Federbein Auch beim McPherson Federbein beeinflusst das Einfedern den Sturz, allerdings ist dieser Effekt nicht mehr unabhängig von der Federlänge. Ist die Feder weich oder kurz dann liegt das Fahrzeug tief. Der Querlenker läuft dann in Richtung des Rades aufwärts. Beim Einfedern rückt dann das Rad näher an die Karosserie, das Federbein richtet sich auf und der Sturz erhöht sich (verringerter negativer Sturz). Dieser Effekt ist ungünstig, weshalb bei dieser Aufhängung eine zu geringe Federlänge zu vermeiden ist. Umgekehrt ist dann eine größere Federlänge vom Standpunkt der Sturzdynamik positiv zu sehen.

Torsionsachse

Torsionsachse Die Torsionsachse ist der einfachste Fall, hier ändert sich der Sturz mit der Federbewegung nicht und er wird nur noch von der Querneigung des gesamten Fahrzeugs (auf ungünstige Weise) beeinflusst.

Literatur

[Bos02] Robert Bosch GmbH: “Handbuch der Kraftfahrzeugtechnik“, 24. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, 2002
Umfassende aber kompakte Darstellung der Technik von Kraftfahrzeugen. Zu dem Thema dieses Aufsatzes aber leider erstaunlich unergiebig.

[Hap02] Julian Happian Smith (ed.): “An introduction to Modern Vehicle Design”, Butterworth & Heinemann, 2002
Eine ballastfreie, aktuelle und aufgeräumte Darstellung der technischen Aspekte des Fahrzeugdesigns mit umfangreichen Literaturangaben zu allen Themen.

[Mil95] W. F. Milliken, D. L. Milliken: “Race Car Vehicle Dynamics“, SAE
Das ist das beste Buch von allen. Von den Anfängen des Rennsports bis zur Aerodynamik von F1 Wagen, von Geschichten erster Fahrversuche bis zu Checklisten zur Veränderung von Setups ist hier alles enthalten. Lediglich die Formelsymbolik ist in sich nicht ganz konsistent und gewöhnungsbedürftig.

[Rei83] Jürgen Reimpell: “Fahrwerktechnik: Federung, Fahrwerkmechanik“, Vogel Verlag, Würzburg, 1983
Die gesamte Reihe ist eine sehr umfangreiche Darstellung aller technischen Möglichkeiten an einem Fahrwerk Einstellungen vorzunehmen, dafür aber etwas unübersichtlich.

[Rei86] Jürgen Reimpell: “Fahrwerktechnik: Grundlagen“, Vogel Verlag Würzburg, 1986

[Rei89] Jürgen Reimpell, Helmut Stoll: “Fahrwerktechnik: Stoß- und Schwingungsdämpfer“ Vogel Verlag Würzburg, 1989

[Tho] Glyn Thomas: “Racing ahead“,
Sehr interessant zu lesende Lektüre über die Anforderungen des echten Amateurrennsports. Gute Argumentationshilfe, wie gering (noch) der relative Aufwand des Online-Rennsports ist.


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