Rennreifen der Formel 1

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Rennsport

3. Genese von Rennreifen

4. Grundcharakteristika von Rennreifen

5. Reifenarten

6. Reifengröße

7. Allgemeine Elemente, die das Fahrverhalten beeinflussen
7.1 Längskraft
7.2 Seitenkraft und Schräglaufwinkel
7.3 Profilzustand
7.4 Reifenfülldruck
7.5 Radlast
7.6 Reibung
7.7 Sturz
7.8 Rückstellmoment
7.9 Rollwiderstand
7.10 Temperatur
7.11 Gummimischung

8. Schlussbetrachtung

9. Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Als der brasilianische Formel-1-Pilot Felipe Massa auf Ferrari im letzten Rennen der Saison 2008 die Ziellinie der Strecke von Interlagos überquert hatte, wähnte er sich bereits als neuer Weltmeister des Jahres 2008. Die brasilianischen Fans an der Rennstrecke waren bereits in überschäumenden Jubel ausgebrochen, ebenso seine engsten Familienmitglieder. Doch die Freude währte nur kurz, bald machte sich lähmendes Entsetzen breit. Hatte doch Massas Hauptrivale McLaren-Mercedes-Fahrer Lewis Hamilton das schier unmögliche geschafft und sich somit noch auf den fünften Platz nach vorne gekämpft, der ihm zum Titel reichte. Trotz eines eigentlich in einer Runde unaufholbaren Rückstandes hatte er den bei Anbeginn der letzten Runde noch relativ weit vor ihm liegenden Deutschen Timo Glock in letzter Minute noch eingeholt und überholt. Wie konnte er dies bewerkstelligen? Die italienischen Tifosi witterten eine Verschwörung der Deutschen gegen Massa und Ferrari. Der Grund des schnellen Abfallens von Timo Glock war jedoch nicht absichtlich. Untersuchungen nach dem Rennen bestätigten seine Beteuerungen, wonach ihm das zu lange Fahren auf Trockenreifen bei feuchter werdenden Bedingungen am Ende zum Verhängnis wurde. Es war ihm somit nicht mehr möglich Hamilton aktiven Widerstand zu leisten. So konnte Hamilton zum jüngsten Formel-1-Weltmeister aller Zeiten gekrönt werden.

Es kann somit durchaus gesagt werden, dass die Reifen eine Hauptrolle im Titelkampf 2008 gespielt haben. „Rennreifen“ sollen nun auch das Thema dieser Arbeit sein. Wie kann ein Vorfall, wie der oben geschilderte, ein Rennen entscheiden oder überhaupt erst entstehen? Welche Elemente oder Wirkweisen lassen einen Trockenreifen auf nasser Strecke fast unfahrbar werden?

Es sollen also zum einen die Entwicklung hin zu den heutigen Rennreifen dargestellt und zum anderen deren technische Eigenheiten beleuchtet werden. Der Vergleich zum ordinären Autoreifen wird implizit immer mitvollzogen. Oftmals unbeachtet, da sich die Aufmerksamkeit der Zuschauer meist eher auf die ästhetischeren Felgen legt, wird das „[…] mit Abstand […] wichtigste Einzelbauteil an einem Fahrzeug und besonders an einem Wettbewerbsfahrzeug“ untersucht werden.^[1] Schwerpunktmäßig wird sich diese Arbeit den Rennreifen der Königsklasse des Motorsports, der Formel-1, widmen.

Bewerkstelligt werden soll dies durch einen vorgeschobenen Exkurs zum Rennsport und der Geschichte des Reifens. Danach wird sich diese Arbeit mit Grundcharakteristika von Rennreifen auseinander setzen. Welche Elemente nun im Konkreten das Fahrverhalten auf welche Weise beeinflussen können, soll in einem folgenden, großen Abschnitt untersucht werden. In diesem Abschnitt soll nach eher allgemeingültigen Lehrsätzen, die jeweilige Bedeutung des untersuchten Phänomens auf die Formel-1 hin zugespitzt werden.

Der Forschungsstand kann als gut bezeichnet werden. Natürlich befindet sich die Technik der Formel-1 in einem stetem Wandel, d. h. diese Arbeit wird sich nicht mit den allerneuesten Entwicklungen im Reifenbereich beschäftigen können. Ein gewisser zeitlicher Vollzug ist somit nachzusehen. Außerdem wird deutlich, dass England nach wie vor die Heimat renntechnischer Ingenieurskunst darstellt, denn die meisten Monographien über diese Thematik sind nur in englischer Sprache zu erhalten.

Grundlagenwerke dieser Abhandlung stellen zum einen eine Monographie der Gebrüder Milliken^[2] und zum anderen das Grundlagenwerk von Michael Trzesniowski^[3] dar. Außerdem sind die Werke Paul Haneys ein Bezugspunkt für diesen Themenbereich.

2. Rennsport

Was fasziniert den Beobachter am Rennsport? Trzesniowski definiert Rennsport über das „[…] Ausloten des menschlich und physikalisch Machbaren“^[4]. So kommen der sportlich interessierte Laie und der Techniker gleichermaßen auf ihre Kosten. Milliken^[5] stellt das Gewinnen von Rennen als das wichtigste Ziel im Rennsport heraus. Kernproblem ist also das Erreichen einer Leistung von Gesamtpaket Fahrzeug und Fahrer, welche alle anderen Mitbewerber überragt. Die hohe Komplexität von Motorsport und dessen große Intensität, vor allem in den höheren Rennsportklassen, trägt weiterhin zur Faszination des Publikums bei.^[6] Die Herausforderung besteht darin, technologisch hochentwickelte Produkte mit der auf andere Weise hochkomplexen Natur des Menschen in einen solchen Einklang zu bringen, so dass Rennen gewonnen werden können. Der Ingenieur beschränkt sich diesbezüglich auf die technische Seite.

Unter Motorsport werden somit „[…] alle mit motorgetriebenen Land- oder Wasserfahrzeuge betriebenen Sportarten […] verstanden“^[7]. Der Automobilsport, der hier im Vordergrund stehen soll, kann sich als Rallye- oder Tourenwagensport, aber auch in Form eines Formel-1-Boliden darstellen. Aus der sich hieraus ergebenden unglaublich großen Fülle von verschiedenen Rennfahrzeugen lassen sich auch keine allgemein gültigen Ableitungen treffen, wonach klare Kategorisierungen der einzelnen Fahrzeuge herauskommen würden.^[8] Die einzige, allerdings naturgemäß grobe, Einteilung der Rennfahrzeuge kann darüber vorgenommen werden, ob die Räder des Fahrzeuges freistehend oder umschlossen sind.^[9] Ein Formel-1-Wagen kann demnach als „Monoposto mit freistehenden Rädern und offenem Cockpit“^[10] bezeichnet werden. Jedoch spielt die Einteilung der Fahrzeuge in gewisse Kategorien für die Techniker und Konstrukteure nur eine untergeordnete Rolle. Diese orientieren sich zuvorderst am Einsatzzweck des jeweiligen Wagens, natürlich innerhalb des vorgegebenen Reglements. Reglements wiederum haben die Aufgabe eine annähernde Wettbewerbsgleichheit herzustellen und zum Zweiten die Gefahren für den Menschen zu minimieren. So sind Reglements auch oftmaligen Änderungen unterlegen, da eine stete Anpassung an die Aktualität erforderlich ist.^[11] Dieses Faktum spielt auch in der Formel-1 eine große Rolle. Veränderte Rahmenbedingungen haben das Fahrerfeld zur neuen Saison schon des Öfteren durcheinander gewirbelt, so zuletzt im Jahr 2009, als vor Beginn der Saison wohl niemand auf das aus der Konkursmasse von Honda hervorgegangene Team Brawn GP gesetzt hätte.^[12] Auch wettbewerbsbedingte Veränderungen können sich gravierend auswirken: So war durch den 1997 einsetzenden „Reifenkrieg“, neben Goodyear war nun auch wieder Bridgestone in die Formel-1 zurückgekehrt, eine Verbesserung der Rundenzeiten im Vorjahresvergleich um sagenhafte vier Sekunden möglich.^[13]

Öfter zu hörende Argumentationen von Rennsportgegnern, dass der Rennsport eine Art Spielplatz für unterbeschäftigte Ingenieure oder ein Millionengrab wäre, kann entgegnet werden, dass Wechselwirkungen zwischen Rennsport und der allen Menschen zugänglichen Serienfertigung gang und gäbe sind.^[14] Sicherheitsgurte oder das allseits bekannte Anti-Blockier-System sind beispielsweise in letzter Instanz Einführungen, die zu einem großen Teil einen rennsporttechnischen Ursprung haben.

3. Genese von Rennreifen

John Boyd Dunlop ist als der Erfinder des modernen Luftreifens zu benennen. Anfangs noch für seine Idee verlacht, stellte sich die Überlegenheit eines luftgefüllten Reifens gegenüber einem damals üblichen schnell heraus.^[15] In rennähnlichen Veranstaltungen in Irland hatte sich beispielsweise die Unterlegenheit der konventionellen Reifen herausgestellt. Jedoch sollte es noch einmal zwölf Jahre dauern, bis die Nutzung von Luftreifen bei motorgetriebenen Gefährten Usus wurde.^[16]

Das erste halbwegs organisierte Autorennen fand 1894 auf der Strecke Paris-Rouen statt. Mehr als einhundert automobilähnliche Fahrzeuge hatten sich auf die über 100 Kilometer lange Strecke gemacht.^[17] Diese ersten Rennen waren jedoch hauptsächlich zu technologischen Testzwecken, unter anderem auch für die Reifensparte, veranstaltet worden. Beispielsweise hatte die heute noch sehr angesehene Reifenschmiede Goodyear bis 1921 große Entwicklungssprünge im Bereich Kordgewebe und abnehmbaren Felgen erzielt.^[18] Aufgrund der politischen Umbrüche hatte der Rennsport einen Popularitätseinbruch in den Folgejahren zu verzeichnen. Mit dem allgemeinen Wirtschaftsaufschwung der 1950er Jahre ist jedoch ein erneuter Begeisterungsschub für den Rennsport ausgebrochen.^[19] Als global Players im Bereich der Herstellung von Formel-1 Reifen können die Unternehmen Firestone, Michelin oder Goodyear genannt werden. Ab Mitte der 1980er Jahre konnte Goodyear bis Ende der 1990er Jahre quasi eine monopolartige Stellung in der Formel-1 behaupten.^[20] Nach einem kurzen Intermezzo von Michelin in der Mitte dieser Dekade hat sich nun Firestone respektive Bridgestone als alleiniger Reifenlieferant der Formel-1 etabliert. Grund hierfür war ein neuartiges Reglement, welches nur noch einen Hersteller vorsah.

Hier ist noch grundsätzlich zu sagen, dass Regeländerungen bezüglich der Reifen in der Formel-1 leichter umzusetzen sind, als welche, die die Aerodynamik betreffen. Dies liegt an den unterschiedlichen Regelwerken, die jeweils für die Formel-1 gelten.^[21]

4. Grundcharakteristika von Rennreifen

Sowohl im normalen Straßenverkehr als auch im Rennsport können die Reifen als Schlüsselelement angesehen werden. Sie sind das Bindeglied zwischen mechanischen Kräften und Momenten einerseits und der Asphaltdecke andererseits. Die vier Berührungspunkte des Gummis mit dem Untergrund werden Latsch bezeichnet.^[22] Ziel dieser Kontaktpunkte muss eine möglichst hohe Traktion sein, d. h. die Energien des Fahrzeuges sollen möglichst störungs- und verlustfrei auf die Strecke übertragen werden. Im Rennsport wird diese Traktion auch „Grip“ genannt.^[23] Kriterien wie Fahrkomfort, Wirtschaftlichkeit, Fahrverhalten oder Fahrsicherheit werden somit maßgeblich von den Reifen beeinflusst.^[24] Die Ansprüche an Rennreifen im Besonderen können nach Trzesniowski relativ knapp umrissen werden: „Maximale Haftwerte bei minimaler Abnutzung und ausreichender Gestaltfestigkeit.“^[25] Des Weiteren sollen Rennreifen möglichst leicht den Streckenverlauf folgen können und ebenso möglichst geringe Beschleunigungskräfte beim Anbremsen einer Kurve oder beim Herausbeschleunigen aus eben solcher vorweisen. Ein idealer Reifen würde sein Verhalten zu keiner Zeit eines Rennens ändern und immer die gleichen Eigenschaften besitzen. In der Realität ist dies jedoch noch nie vorgekommen.^[26]

Im Rennsport werden Radial- als auch Diagonalreifen^[27] eingesetzt. Das wichtigste Element des Rennreifens ist eine weite und flache Lauffläche. Die Karkasse verbindet bei Radialreifen die beiden Wulstkerne mit radial verlaufenden Kordfäden. Somit kann diese Reifenart alternativ auch als Gürtelreifen bezeichnet werden.^[28] In der Formel-1 werden für den Zusammenhalt des Gürtels gerne Kevlarfasern eingesetzt.^[29] Vorteil des Radialreifens ist grob^[30] gesagt seine längere Haltbarkeit. Diagonalreifen zeichnen sich dadurch aus, dass die Karkasse aus mindestens zwei Lagen gummierter Kordfäden besteht. Der Fadenwinkel^[31] dieser Kordfäden beträgt bei Rennreifen exakte 26 Grad. Hauptvorteil des Diagonalreifens ist sein geringeres Massenträgheitsmoment, sprich unnötige Beschleunigungskräfte werden minimiert.^[32] Generell kann jedoch eine Dominanz des Radialreifens konstatiert werden.

5. Reifenarten

Grundsätzlich ist zwischen drei verschiedenen Arten von Rennreifen zu unterscheiden: Trockenreifen, Regenreifen und sogenannte Intermediates, welche einen Kompromiss der beiden Erstgenannten darstellen und somit ideal für nicht eindeutiges Wetterverhalten sind.^[33] Trockenreifen sind aus einer vergleichsweise härteren Gummimischung hergestellt und sind somit haltbarer. Weiterhin können Trockenreifen aufgrund ihrer Laufflächenmischungen noch in vier weitere Unterkategorien augeteilt werden: Hard, medium, soft und extra-soft.^[34] Wetterlage, Streckencharakteristik oder die angestrebte Fahrzeit mit den Reifen, sprich Qualifying oder Rennen, sind die entscheidenden Kriterien für die Auswahl der Reifen. Jahrelang wurden in der Formel-1 nur Reifen ohne Profil oder Rillen verwendet, die sogenannten Slicks. Der Vorteil von Slicks liegt darin, dass die Laufflächen der Reifen den Asphalt komplett berühren. Die Reifen generieren somit mehr Hitze und haften demzufolge besser.^[35] Slicks bestehen in der Regel aus einer softeren Mischung und verlieren daher auch schneller das Gummi der Lauffläche, was dazu führt, dass diese Reifen insgesamt schneller verschleißen.^[36] Aus Sicherheitsgründen wurden in der Formel-1 jedoch Slicks ab 1998 verboten und es wurden Rillenreifen eingeführt. Die vier eingearbeiteten Rillen in der Lauffläche verringerten somit die Kontaktfläche zwischen Reifenlauffläche und Fahrbahn um bis zu 17%.^[37] Daher mussten auch die Geschwindigkeiten gedrosselt werden. Seit der Saison 2009 werden jedoch auch in der Formel-1 wieder reine Slicks benutzt. Ein Grund hierfür mag die sich stetig verbessernde Entwicklung der Rillenreifen gewesen sein, so dass der ursprünglich geplante Sicherheitseffekt^[38] allmählich verpuffte.

[...]

^[1] Michael Trzesniowski: Rennwagentechnik. Wiesbaden 2008, hier S. 185.

^[2] William F. Milliken und Douglas L. Milliken: Race Car Vehicle Dynamics. Warrendale 1995.

^[3] Siehe Fußnote 1.

^[4] Trzesniowski 2008, S. V.

^[5] Der besseren Lesbarkeit wegen werden die Gebrüder Milliken unter ihren Familiennamen subsummiert. Der Name wird somit immer im Singular verwendet werden.

^[6] Milliken 1995, S. Preface.

^[7] Trzesniowski 2008, S. 1.

^[8] Ebenda, S. 2.

^[9] Ebenda, S. 3.

^[10] Ebenda, S. 4.

^[11] Ebenda, S.5.

^[12] Regeländerungen sind natürlich und gerade in der Formel-1 nicht immer nur am Sicherheitsgedanken orientiert; Ökonomische Faktoren, wie mögliche Einsparmöglichkeiten oder bessere Vermarktungschancen, tragen mindestens ebenso zur Ausgestaltung des Regelwerkes bei.

^[13] Nigel Macknight: Die Technik der Formel 1. Königswinter 1998, hier S. 121.

^[14] Trzesniowski 2008, S. V.

^[15] John Boyd Dunlop: The History of the Pneumatic Tyre. Dublin 1925, hier S. 58.

^[16] Dunlop 1925, S. 59.

^[17] Jeffrey L. Rodengen: The Legend of Goodyear. Fort Lauderdale 1997, hier S. 185.

^[18] Rodengen 1997, S. 189.

^[19] Ebenda, S. 190.

^[20] Ebenda, S. 199.

^[21] David Tremayne: Formel 1 – Technik unter der Lupe. Stuttgart 2001, hier S. 200.

^[22] Trzesniowski 2008, S. 193.

^[23] Sal Incandela: Anatomy and Development of the Formula One Racing Car from 1975. Sparkford 1990, hier S. 113.

^[24] Trzesniowski 2008, S. 193.

^[25] Trzesniowski 2008, S. 193.

^[26] Ebenda

^[27] Semi-Gürtelreifen stellen eine dritte Form dar, die zwischen den beiden genannten Arten liegt. Ihren Ursprung haben sie im angelsächsischen Raum, vgl. hierzu Trzesniowski 2008, S. 196.

^[28] Trzesniowski 2008, S. 193.

^[29] Peter Wright: Formula 1 Technology. Warrendale 2001, hier S. 109

^[30] Auf Elemente wie Rollwiderstand oder Seitensteife wird in einem späteren Kapitel näher eingegangen werden. In diesem Abschnitt sollen lediglich basale Eigenschaften von Rennreifen skizziert werden.

^[31] Der sogenannte Fadenwinkel ist ein wesentlicher Einflussfaktor für Reifeneigenschaften, vgl. Trzesniowski 2008, S. 194.

^[32] Trzesniowski 2008, S. 194.

^[33] Trzesniowski 2008, S. 223.

^[34] Ebenda, S. 224.

^[35] Incandela 1990, S. 116.

^[36] Ebenda.

^[37] Macknight 1998, S. 122.

^[38] Natürlich lagen den Überlegungen des Automobilweltverbandes nicht nur Sicherheitsbedenken zugrunde. Vielmehr wurde sich von der Einführung von Rillenreifen auch eine bessere Show und höhere Einschaltquoten durch mehr Überholmanöver versprochen, vgl. hierzu Macknight 1998, S. 122.