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F1 Aerodynamiklexikon

Von der Airbox bis zum Winglet

CFD Strömungsbild Foto: BMW-Sauber 30 Bilder

Auf ihrem Weg um ein F1-Auto wird die Luft von vielen Strömungshilfen in die richtigen Bahnen gelenkt. Unser Aerodynamik-Lexikon erklärt, was sich hinter Begriffen wie Batmans, Bullhorns und Sidepods verbirgt.

24.03.2009 Michael Schmidt, Tobias Grüner

Mit einer radikalen Abholzung des Flügelwaldes hat die FIA vor dieser Saison wieder für glatte Flächen auf den Formel 1-Boliden gesorgt. Wir erklären in unserem Aerodyamik-Lexikon, welche Luftleitelemente noch erlaubt sind, und welche Hilfsmittel den Designern nicht mehr zur Verfügung stehen. In unserer großen Fotoshow haben wir die einzelnen Aeroteile auch noch einmal anschaulich zusammengefasst.

Airbox (airbox)
Die Airbox ist der Lufteinlass für den Motor. Da an der abfallenden Kante die Gefahr besteht, dass sich die Strömung verwirbelt, wurden die Kombi-förmigen Ausbuchtungen 2008 modern. Ihre Aufgabe ist es die Strömung möglichst lange stabil zu halten, damit der Heckflügel optimal arbeiten kann. Der Nachteil ist die Seitenwind-Anfälligkeit.

Airboxflügel (bullhorns)
Die Airboxflügel produzieren keinerlei Abtrieb, sondern richten ausschließlich die Luft Richtung Heckflügel aus. Der wird besser angeströmt und kann so bei gleicher Anstellung mehr Abtrieb generieren.

Batman (flipup)
Mit Batmans werden die Kotflügelartigen Abweiser vor den Hinterrädern bezeichnet. Sie sind meist zweistufig und teilweise mit einem Flügelprofil versehen. Neben einer kleinen Abtriebsspende ist ihre Hauptaufgabe, den Luftstrom innerhalb der Hinterräder vorbeizuleiten Richtung unteres Heckflügelelement vorbeizuleiten. Ab 2009 verboten.

Brückenflügel (bridge wing)
Zunächst waren die Brückenflügel nur kurze Stummel, die auf der Innenseite der Endscheiben oberhalb des Flügelhauptblattes nach innen ragten. In einem nächsten Schritt wurden sie mit der Nase verbunden. Ferrari bevorzugt diese Lösung noch heute. McLaren brachte dann als erstes Team einen echten Brückenflügel. Das Blatt wächst aus den Endscheiben und spannt sich überhalb der Nase über die gesamte Flügelfläche. Primärfunktion ist nicht der Abtrieb an der Vorderachse, sondern die Ausrichtung der Strömung zum Heckflügel. Ein guter Brückenflügel lässt den Heckflügel mehr Abtrieb produzieren, ohne dass der dafür steiler angestellt werden müsste. Grund: Der Heckflügel wird mit "sauberer Luft" angeströmt. "Sauber" heißt in dem Zusammenhang weniger verwirbelt. Ab 2009 sind Brückenflügel verboten.

Diffusor (diffusor)
Der Diffusor ist der ansteigende Teil des Unterboden. Dadurch wird das Volumen unter dem Auto vergrößert. Man spricht von Expansion. Das sorgt für den Absaugeffekt, der die Beschleunigung der Luft unter dem Auto unterstützt. Ohne Diffusor würde sich die Strömung wegen der Reibung verlangsamen. Ferrari und Red Bull machen aus dem kompletten Auto einen Diffusor. Sie stellen das Auto nach vorne hin extrem an. Die Bodenfreiheit an der Vorderachse ist deutlich geringer als an der Hinterachse ausgeprägter als bei anderen Autos. Der Diffusor wird in zwei Elemente unterteilt. Der Zentraldiffusor ist der Abschnitt rund um die 50-Zentimeter-Zone um die Mittelachse. In diesem Bereich sind die Aerodynamiker frei. Rechts und links davon gibt es strenge Regeln. Der Anstieg durfte bis 2008 frühestens 350 Millimeter vor der Mittelachse der Hinterradaufhängung beginnen und eine Höhe von 125 Millimeter nicht übersteigen. 2009 wurde das Maß auf 175 Millimeter angehoben und um 350 Millimeter nach hinten gerückt. Der sogenannte Seiten-Diffusor unterteilt sich in der Regel in sechs Tunnel. Sie führen die Luft, die sich sonst bei der großen Fläche verwirbeln und damit verlangsamen würde. Der Diffusor erzeugt nicht nur unter dem Auto Anpressdruck. Auch das untere Element des Heckflügels unterstützt den Absaugeffekt. Im Idealfall arbeiten Diffusor, Motorabdeckung und Heckflügel zusammen. Weil der Diffusor 2009 nach hinten rückt, ist die Interaktion zwischen Diffusor und Heckflügel schwieriger darzustellen.

Endplatte (endplate)
Die Endplatten oder auch Endscheiben begrenzen den Flügel zur Seite hin. Sie verhindern, dass an den Flügelkanten ein Druckausgleich durch Einströmen der Luft von der Seite stattfindet. Das würde die Wirkung des Flügels beeinflussen. Bis 2008 bestand die Aufgabe der Endplatten am  Frontflügel auch darin, die Luft gezielt innerhalb der Vorderräder vorbeizulenken. Deshalb waren die Endscheiben hinten nach innen gezogen und mit allerlei Finnen, Beulen und Bodenplatten versehen. 2009 entfällt diese Funktion, weil der 180 Zentimeter breite Frontflügel mit den Rädern bündig abschließt. Den Ingenieuren stehen pro Endplatte nur noch sechs Zentimeter Platz zur Gestaltung frei.

Flap (flap)
Der Flap besteht aus einem oder mehreren Elementen. McLaren setzte 2008 bis zu dreieinhalb Flaps ein. In der Regel sind die Flaps hinter dem Hauptblatt gestaffelt und in ihrem Anstellwinkel einstellbar. Je steiler der Winkel, umso größer die Gefahr, dass die Strömung abreißt. Deshalb behilft man sich mit mehreren kleinen Flächen. Die Schlitze dazwischen füttern Luft nach. McLaren brachte am MP4-23 sogar einen Flap vor dem Hauptblatt an. Die Flaps beeinflussen nicht nur den Anpressdruck an der Frontpartie, sie bestimmen auch wie der Heckflügel angeströmt wird. Ein flacherer Anstellwinkel vorne muss nicht unbedingt bedeuten, dass man vorne den Abtrieb reduzieren will. Oft will man damit die Wirkungsweise des Heckflügels verbessern und Tendenzen zum Übersteuern lindern. Ab 2009 dürfen die Flaps vom Cockpit aus zwei Mal pro Runde um maximal sechs Grad verstellt werden. Damit kann der Fahrer dem Verlust an Abtrieb entgegenwirken, der eintritt, wenn er zu dicht auf den Vordermann auffährt.

Flaschenhalsform (Coke bottle shape)
Von oben betrachtet macht die Verkleidung im Bereich der Hinterräder einen Einzug nach innen. Das erinnert an einen Flaschenhals. Der Einzug dirigiert die Luft innerhalb der Hinterräder vorbei. In der stark eingeschränkten Aerodynamik des 2009er Reglements ist der Bereich, der 50 Zentimeter vor der Hinterachse beginnt der letzte Freiraum für die Aerodynamiker.

Frontflügel (frontwing)
Der Frontflügel durfte bis 2008 maximal 140 Zentimeter breit sein und höchstens 100 Zentimeter über die Vorderachse hinausragen. Der Abstand zur Straße musste mindestens 15 Zentimeter betragen. Ab 2009 gelten neue Bestimmungen: 180 Zentimeter Breite und 7,5 Zentimeter Höhe. Der Bereich von jeweils 25 Zentimeter rechts und links der Mittelachse ist genormt. Auf den folgenden 15 Zentimetern darf die Flügeltiefe von 25 auf 55 Zentimeter ansteigen. Die äußeren 50 Zentimeter sind in ihrer Gestaltung frei. Moderne Frontflügel bestehen aus zwei bis vier Elementen, hängen an zwei Pylonen unterhalb der Nase. Das Hauptblatt und die Flaps werden an den Seiten durch die Endplatten begrenzt. Der Flügel darf sich bei einer Last von 50 Kilogramm um maximal fünf Millimeter verbiegen.

Getriebeflügel (engine cover wing)
Der Getriebeflügel wächst aus der Motorabdeckung und mündet in die Batmans, die die Hinterräder abschirmen. Der Flügel bringt zusätzlichen Abtrieb und er lenkt gleichzeitg die Luft auf das untere Heckflügelelement. Ab 2009 verboten.

Hauptblatt (main plate)
Das Hauptblatt ist der größte Teil des Frontflügels. Sein Anstellwinkel ist fixiert. Er produziert Abtrieb durch sein Flügelprofil. Da der Weg der Luft wegen der gewölbten Unterseite unten herum länger ist als oben, ist dort die Strömungsgeschwindigkeit höher. Folglich entsteht ein Unterdruck. In der Mitte hat das Hauptblatt eine Mulde. Bis 2008 galt: In einem Bereich von 25 Zentimeter rechts und links der Mittellinie des Autos durfte der Flügel tiefer liegen als der Mindestabstand von 15 Zentimetern. In dieser Mulde wurde der meiste Abtrieb erzielt. Grund: Je kleiner der Spalt zwischen Straße und Flügel, umso mehr wird die Luft beschleunigt. Ab 2009 kann der gesamte Flügel auf der Mindesthöhe von 7,5 Zentimetern liegen.

Heckflügel (rearwing)
Der Heckflügel durfte bis 2008 maximal 100 Zentimeter breit und 80 Zentimeter hoch sein und aus maximal zwei Ebenen bestehen. Ab 2009 gelten folgende Regeln: Die Breite schrumpft auf 75 Zentimeter, die Höhe steigt auf 95 Zentimeter. Der Überhang beträgt weiterhin 60 Zentimeter. Das obere Element ist mit Ausnahme der Monza-Version (manche Autos kommen in der Highspeed-Version mit einem Element aus) in zwei Elemente unterteilt, das Hauptblatt und den Flap. Beide müssen durch zwei Stabilisatoren verbunden sein, um ein Durchbiegen bei Top-Speed zu verhindern. Wird am Flügel von hinten mit einer Kraft von 100 Kilogramm gezogen, darf er sich um höchstens ein Grad nach hinten biegen. Die Elemente des Flügels dürfen sich bei einer Last von 20 Kilogramm um maximal fünf Millimeter nach unten durchbiegen. Das untere Element produziert Abtrieb und hilft dem Diffusor beim Absaugen. Bis vor drei Jahren war der untere Heckflügel tragendes Teil. Mittlerweise sind fast alle wieder dazu übergegangen, den Flügel zentral auf zwei Stelzen zu befestigen. Von tragenden Aufgaben befreit können die Elemente komplexere geformt werden. Die Endplatten dienen als führendes Element für die Strömung. Damit auch die den Endplatten nahen Flügelpartien Abtrieb spenden, werden kleine Fenster in die Endplatten geschlitzt. Sie provozieren einen Strömungsausgleich und verhindern Wirbel.

Hirschgeweih
BMW nennt die Miniflügel am hinteren Ende der Nase Hirschgeweih, Honda sagt dazu Elefantenohren. Der Aufsatz dirigiert die Luft besser Richtung Heckflügel. Der kann dadurch effizienter arbeiten. Auch McLaren und Red Bull haben die Idee von BMW kopiert. Ab 2009 verboten.

Kamin (chimney)
Über die Kamine strömt nicht nur die heiße Abluft aus den Kühlern zur Seite hin ab, damit sie keinen Schaden anrichten kann. Die Hauptfunktion der Kamine ist aerodynamischer Natur. Sie Leiten die Luft innerhalb der Hinterräder vorbei. Wenn es kühl ist, sind die Kamie oben sogar geschlossen. Dann entweicht die Kühlluft ausschließlich im Heck. Heiße Luft ist aus Sicht der Aerodynamiker unerwünscht. Sie beeinträchtigt die Strömung. Ab 2009 verboten.

Kiemen (gills)
Die effizienteste Art, die heiße Kühlluft abzuführen, ist die Lösung mit den Kiemen. Die Anordnung der Kiemen und die Größe der Öffnungen bestimmt die Fließrichtung. Sie Luft kann so in die natürliche Strömung eingespeist werden und sie sogar unterstützen. Ab 2009 verboten.

Kühleinlass (radiator duct)
Die Kühleinlässe wanderten über die Jahre immer weiter nach oben. Den unteren Rand brauchen die Aerodynamiker um die Luft einzufangen, die seitlich an der Chassisröhre entlangströmt. Sie soll an der Vorderkante der Seitenkästen auf einen Weg oberhalb der Bodenplatte entlang der Taille des Seitenkastens gezwungen werden. Von dort strömt sie am Auto entlang zum Heck, wo sie auf der Oberseite des Diffusors dann Abtrieb produziert. 2009 darf die Kühlluft nur noch an drei Stellen die Seitenkästen verlassen. Rund um die Auspuffendrohre, um die Löcher für die Querlenker der Hinterradaufhängung und am Ende der Seitenkästen.

Leitblech (guide-vane, barge board)
Die englische Sprache unterscheidet die Luftleitbleche, je nachdem an welcher Position sie angebracht sind. Die Strömungshilfen in der Vorderradaufhängung heißen guide-vanes. Sie kanalisieren die bodennahe Luft vom Frontflügel und verhindern, dass Turbulenzen unter das Auto strömen. Die großen Deflektoren vor den Seitenkästen, englisch 'barge boards', fangen die Luft ein, die an der oberen Seite der Fahrzeugnase strömt. Sie wird um 45 Grad nach unten gelenkt, wo sie dann idealerweise an der unteren Kante der Seitenkästen oberhalb der Bodenplatte entlangstreicht. Auch hier heißt das oberste Ziel: Verwirbelte Luft darf nicht unter das Auto gelangen. Ab 2009 eingeschränkt. Der Bereich zwischen den Vorderrädern und den Seitenkästen ist verbotene Zone für Anbauten. Nur in einem kleinen Eck vor den Kühleinlässen dürfen die Aerodynamiker Strömungshilfen anbringen.

Motorabdeckung (engine cover)
Die Motorabdeckung reicht von der Vorderkante der Seitenkästen über die Airbox bis zum Diffusor. Der Airbox-Bereich sollte so schmal wie möglich sein. Je niedriger und je schlanker auf Höhe der Hinterachse, umso besser. Das vergrößert die Fläche der Oberseite des Diffusors. Die Breite wird durch die Abmessungen des Getriebes bestimmt. Hier geht es um jeden Zentimeter. Ein schlankes Getriebe freut den Aerodynamiker. Umso mehr Platz hat er rechts und links, um Abtrieb zu generieren. Ab 2009 kommt aber ein neues Problem hinzu. Da die Kühlluft nur noch im Heck austreten darf, muss sie innerhalb der Verkleidung noch an Motor und Getriebe vorbei. Das beansprucht Platz.

Rücklicht-Flügel (rearlight wing)
Auf Strecken wie Monte Carlo, Singapur und Budapest zählt jedes Gramm Abtrieb. Deshalb montieren viele Teams einen teilweise doppelstöckigen Mini-Flügel oberhalb der Rückleuchte auf der Heck-Crashstruktur.

Schwertflügel
Renault hatte sie als erstes Team. Zwei nach hinten abgewinkelte Finnen, die etwa 50 Zentimeter vor dem Cockpit aus dem Chassisrumpf wachsen. Sie lenken die an der oberen Chassiskante entlangströmende Luft nach unten um, damit sie dort auf die Vorderkante der Seitenkästen trifft. Ab 2009 verboten.

Seitenkasten (sidepot)
Die Seitenkästen sind vorne hoch und hinten niedrig. Das vordere Ende wird durch die seitliche Crashstruktur bestimmt. Sie muss Teil der Karrosserie sein. Das Profil der Seitenkästen beschleunigt die Luft und sorgt dafür, dass sie sauber auf der Oberfläche Richtung Heck strömt. Dort trifft sie idealerweise auf die Oberseite des Diffusors oder das untere Heckflügelelement. In vertikaler Richtung sind die Seitenkästen nach innen stark eingezogen. Der Einzug zwingt die Luft, auf der Oberseite der Bodenplatte innerhalb der Hinterräder vorbeizuströmen.

Seitenkastenflügel (sidepot wing)
Toyota fing damit an, am oberen Rand der Seitenkästen kleine Flügel mit Endplatten anzubringen. Inzwischen sind diese Vorflügel zu Kunstwerken mutiert. Die Endscheiben sehen aus wie riesige Ohren und sie sind über Leisten mit den Leitblechen verbunden. McLaren führt sie sogar in einer S-förmigen Schleife an den unteren Rand der Kühleinlässe. Diese Anordnung soll die Luft zwingen, einerseits schön auf der Oberseite der Seitenkästen entlangzuströmen, andererseits im unteren Bereich, sich an die stark taillierten Seitenkästen anzuschmiegen.

Winglet (winglet)
Kleine Flügel, die auf einer Stelze auf den Seitenkästen stehen. Sie bestehen oft aus zwei Elementen mit Endplatten und bringen ein paar Punkte Abtrieb mehr. Ab 2009 verboten.

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