Fahrt ihr auf Rennstrecken, betreibt ihr Gymkhana oder fahrt ihr Bergstraßen auf Zeit?
Wenn man denkt: „Ich will noch eine Sekunde schneller werden!“, fängt man vielleicht an, am Gewindefahrwerk herumzuschrauben und das Lenkverhalten – also Untersteuern und Übersteuern – abzustimmen.
Wahrscheinlich habt ihr schon einmal gehört, dass härtere Federn an der Vorderachse zu mehr Untersteuern führen oder dass ein höheres Heck das Auto zum Übersteuern bringt.
Aber wie genau diese Effekte zustande kommen, wird in Zeitschriften oder im Internet nicht besonders oft erklärt. Entsprechend weit verbreitet ist dieses Wissen nicht.
Wenn man die Mechanismen kennt, bedeutet das natürlich nicht, dass man sofort ein schnelles Setup findet. Aber wenn man die grundlegenden Zusammenhänge versteht, erkennt man eher Dinge wie: „Das brauche ich, um mein aktuelles Problem zu lösen“ oder „Das wird wahrscheinlich kaum etwas bringen.“
Man steht dann auch weniger oft vor der Frage: „Wie kann ich dieses Problem mit meinem Fahrwerk lösen?“ Und man lässt sich nicht so leicht von den ganzen fragwürdigen Theorien verwirren, die überall kursieren.
Deshalb möchte ich diesmal die Abstimmung des Lenkverhaltens aus Sicht der physikalischen Eigenschaften von Reifen in einem Artikel zusammenfassen.
【Die wichtigsten Punkte】
(1) Die Abstimmung des Lenkverhaltens bedeutet, die Verteilung der Seitenkräfte zwischen Vorder- und Hinterachse zu verändern.
(2) Es ist wichtig, die gesamte Seitenkraft der beiden Reifen links und rechts zu betrachten.
(3) Je größer die Lastverlagerung, desto geringer wird die gesamte Kurvensteifigkeit der beiden Reifen links und rechts.
(4) Die beiden wichtigsten Faktoren für die Verteilung der Lastverlagerung zwischen Vorder- und Hinterachse sind Wanksteifigkeit und Lenkerwinkel.
(5) Die Höhe des Wankzentrums verändert, wie stark die einzelnen Faktoren ins Gewicht fallen.
Die Reifen bestimmen die Lenkbalance
Schauen wir uns zunächst Punkt (1) an: „Die Abstimmung des Lenkverhaltens bedeutet, die Verteilung der Seitenkräfte zwischen Vorder- und Hinterachse zu verändern.“
Nun, genau das ist eigentlich gemeint.
Wenn die Vorderreifen im Verhältnis zu den Hinterreifen mehr Seitenkraft erzeugen, lässt sich das Auto leichter um die Kurve bringen. Wenn die Hinterreifen mehr Seitenkraft erzeugen, wird das Auto stabiler.
Beim Fahrwerk wird allerdings häufig in Formulierungen wie „Die Vorderachse wankt stärker, deshalb untersteuert das Auto“ oder „Das Heck ist zu steif, deshalb übersteuert das Auto“ gesprochen.
Wenn man nur so darüber nachdenkt, ist es schwierig zu verstehen, was tatsächlich passiert und wie daraus eine Veränderung des Fahrverhaltens wie Unter- oder Übersteuern entsteht.
Ein Auto hat nur über seine vier Reifen Kontakt zur Straße. Veränderungen der Fahrzeugbewegung wie Wanken oder Nicken sind letztlich also nur Teil des Prozesses, durch den Kräfte übertragen werden. Entscheidend für Unter- und Übersteuern ist letztlich die Verteilung der Seitenkräfte zwischen Vorder- und Hinterachse.
Egal ob es um Federn, Stabilisatoren oder Dämpfung geht: Es ist wichtig, sich immer wieder zu fragen: „Wie beeinflusst das letztlich die Verteilung der Seitenkräfte zwischen Vorder- und Hinterachse?“
Als Nächstes geht es um Punkt (2): „Es ist wichtig, die gesamte Seitenkraft der beiden Reifen links und rechts zu betrachten.“
Im Allgemeinen würde ich sagen: Je besser jemand fährt, desto sauberer und kontrollierter geht er normalerweise mit der Lastverlagerung um. Wenn man aber Ausdrücke wie „mehr Last auf den Reifen bringen“ oder „den Reifen richtig belasten“ hört, denkt man bei der Lastverlagerung als Fahrtechnik im Grunde hauptsächlich an den Reifen, der Last gewinnt – also an den kurvenäußeren Reifen.
Wenn es ausschließlich um Fahrtechnik geht, ist das auch in Ordnung. Aber der Reifen auf der Seite, auf der die Last abnimmt – also der kurveninnere Reifen –, macht ja nicht plötzlich überhaupt nichts mehr (außer beispielsweise dann, wenn bei einem Fronttriebler das kurveninnere Hinterrad abhebt).
Es gibt zwei Vorderreifen und zwei Hinterreifen.
Wenn es also um das Lenkverhalten eines Autos – etwa Unter- oder Übersteuern – geht, ist es wichtig, die gesamte Seitenkraft der beiden Reifen links und rechts zu betrachten.
Warum Lastverlagerung die gesamte Kurvensteifigkeit verringert
Kommen wir nun zu Punkt (3): „Je größer die Lastverlagerung, desto geringer wird die gesamte Kurvensteifigkeit der beiden Reifen links und rechts.“
Schaut euch zunächst einmal dieses Diagramm an.
Ich habe dieses Diagramm anhand von Fig. 10 aus „Flat-Belt Suspension Tire Test Machine“ von Tomoki Sakai, Kaoru Kusaka und Yuji Sato nachgezeichnet, einer Veröffentlichung auf der technischen Website von Honda R&D. Dabei habe ich versucht, es dem Original möglichst genau anzupassen.
Die vertikale Achse zeigt die Kurvensteifigkeit, also die Seitenkraft pro Einheit Schräglaufwinkel, und die horizontale Achse die Reifenlast.
Wie ihr seht, steigt die Kurvensteifigkeit eines Reifens mit zunehmender Last nicht proportional an.
Mit zunehmender Last steigt zwar auch die Kurvensteifigkeit, aber je höher die Last wird, desto geringer fällt der zusätzliche Anstieg aus.
Ab einem bestimmten Punkt beginnt sie sogar wieder abzunehmen.
Diese Eigenschaft wird als Lastsensitivität des Reifens bezeichnet.
Nehmen wir nun an, dass bei einem Fahrzeug bei 1 g auf jedem Vorderreifen eine Last von 4.000 N liegt.
Wenn dieses Auto eine Kurve fährt, nimmt die Last am kurveninneren Reifen durch die Lastverlagerung ab, während sie am kurvenäußeren Reifen zunimmt.
Nehmen wir beispielsweise an, dass eine Lastverlagerung von 2.000 N stattfindet. Dann beträgt die Reifenlast innen 2.000 N und außen 6.000 N.
Im Diagramm sieht das dann so aus.
Achtet jetzt darauf, wie sich die Kurvensteifigkeit des inneren und des äußeren Reifens verändert.
Die Kurvensteifigkeit des äußeren Reifens ist gestiegen.
Sie ist gestiegen, aber nicht besonders stark.
Gleichzeitig ist die Kurvensteifigkeit des inneren Reifens deutlich gesunken.
Schauen wir uns nun die Summe der beiden Reifen an.
Vor der Lastverlagerung
Innerer Reifen 1.300 N/° + äußerer Reifen 1.300 N/° = insgesamt 2.600 N/°
Nach der Lastverlagerung
Innerer Reifen 800 N/° + äußerer Reifen 1.420 N/° = insgesamt 2.220 N/°
Durch die Lastverlagerung ist die gesamte Kurvensteifigkeit gesunken.
Das ist eine der grundlegenden Eigenschaften von Reifen, die man verstehen sollte, wenn man über das Lenkverhalten eines Autos nachdenkt.
Ob sich das Lenkverhalten durch andere Federn verändert oder durch eine Änderung der Fahrhöhenverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse – letztlich hängt beides mit dieser Eigenschaft der Reifen zusammen.
Das ist auch einer der Gründe, warum Sportwagen einen niedrigen Schwerpunkt haben.
Wenn der Schwerpunkt eines Autos hoch liegt, kommt es bei gleicher Querbeschleunigung zu mehr Lastverlagerung. Dadurch nimmt die gesamte Seitenkraft ab und das Auto lässt sich nicht so schnell bewegen. Deshalb wird der Schwerpunkt möglichst niedrig gehalten, um so viel Grip wie möglich zu gewinnen und die Fahrdynamik zu verbessern.
Nachdem wir uns diese Eigenschaft der Reifen angesehen haben, kommen wir nun zur Fahrwerksabstimmung.
Was bestimmt die Verteilung der Lastverlagerung zwischen Vorder- und Hinterachse?
Schauen wir uns zunächst Punkt (4) an: „Die beiden wichtigsten Faktoren für die Verteilung der Lastverlagerung zwischen Vorder- und Hinterachse.“
【Was die Wanksteifigkeit beeinflusst】 (Beispiele)
・Schraubenfedern
・Stabilisatoren
・Wie stark die Bumpstops zusammengedrückt werden
etc.
【Was den Lenkerwinkel beeinflusst】 (Beispiele)
・Fahrhöhe
・Wankzentrumversteller
・Dämpfung
etc.
Wenn man beispielsweise die Schraubenfedern an der Vorderachse härter und an der Hinterachse weicher macht, übernimmt die Vorderachse beim Wanken des Fahrzeugs einen größeren Anteil der Lastverlagerung.
Wie wir gerade gesehen haben, sind Reifen lastsensitiv. Wenn also die Vorderachse einen größeren Anteil der Lastverlagerung übernimmt, nimmt die gesamte Seitenkraft der beiden Vorderreifen ab und das Auto wird schwieriger einzulenken.
Das sind allerdings nicht die einzigen Faktoren, die die Verteilung der Lastverlagerung zwischen Vorder- und Hinterachse bestimmen.
Auch der Winkel der Fahrwerkslenker beeinflusst diese Verteilung.
Nehmen wir beispielsweise an, die Lenker stehen zunächst parallel zum Boden. Wenn man nun die Fahrhöhe erhöht, stehen die Lenker nach außen hin schräg nach unten. Erhöht man nur die Vorderachse, während die Hinterachse weiterhin parallel zum Boden steht, führt der Winkel der vorderen Fahrwerkslenker beim Wanken dazu, dass ein größerer Anteil der Lastverlagerung von der Vorderachse übernommen wird.
Hier muss man allerdings aufpassen. Der Unterschied zwischen Vorder- und Hinterachse bei der auftretenden Lastverlagerung ist lediglich eine Veränderung ihrer Verteilung. Das bedeutet nicht, dass die gesamte Lastverlagerung des Fahrzeugs um diesen Betrag zunimmt.
Die gesamte Lastverlagerung des Fahrzeugs wird durch vier Faktoren bestimmt: Fahrzeuggewicht, Querbeschleunigung, Schwerpunktshöhe und Spurweite. Anschließend verändert sich die Verteilung zwischen Vorder- und Hinterachse abhängig von Faktoren wie Wanksteifigkeit und Lenkerwinkel.
Nebenbei: Manchmal liest man Aussagen wie: „Wenn man die Wanksteifigkeit an der Vorderachse erhöht, wankt die Vorderachse weniger als das Heck, wodurch das Auto schwieriger einzulenken ist.“
Ich verstehe, warum man gerne in Begriffen wie „Wanken vorne“ und „Wanken hinten“ denkt. Aber Wanken ist eine Bewegung, bei der sich die Karosserie um die Wankachse dreht, die die vorderen und hinteren Wankzentren miteinander verbindet, und der Wankwinkel bezeichnet den Drehwinkel der Karosserie. Solange sich die Karosserie nicht verwindet, sind der Wankwinkel vorne und hinten also gleich.
Mit anderen Worten: Auch die Karosseriesteifigkeit ist wichtig. Das ist allerdings ein anderes Thema, deshalb lasse ich es hier außen vor.
Ein fahrendes Auto macht neben der Wankbewegung natürlich auch Nickbewegungen, deshalb wird es an dieser Stelle etwas kompliziert. Trotzdem bleibt die Tatsache bestehen, dass „der Wankwinkel vorne und hinten gleich ist, solange sich die Karosserie nicht verwindet“. Das sollte man im Hinterkopf behalten.
Was sich durch Wanksteifigkeit und Lenkerwinkel verändert, ist nicht die Verteilung des Wankwinkels zwischen Vorder- und Hinterachse, sondern die Verteilung der Lastverlagerung.
(※ Streng genommen gibt es auch die Auffassung, Wanken als Drehbewegung um eine in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende Achse zu definieren, die parallel zum Boden durch den Schwerpunkt geht. Die Verbindungslinie zwischen vorderem und hinterem Wankzentrum als „Wankachse“ zu bezeichnen, ist also nicht die einzig mögliche Definition. Hier verwende ich die gebräuchlichere Bezeichnung. Das Thema ist wichtig; darüber möchte ich später einen eigenen Artikel schreiben. Wenn ihr euch gerade fragt, wovon ich rede, könnt ihr diesen Teil ruhig überspringen.)
Warum haben eigentlich Fahrhöhe und Dämpfung etwas mit dem Lenkerwinkel zu tun?
Weil eine Änderung dieser Größen den tatsächlichen Lenkerwinkel während der Fahrt verändert.
Wenn man die Fahrhöhe verändert, ändert sich der Winkel der Lenker. Dadurch verändert sich auch der Winkel, den die Lenker nach einer bestimmten Wankbewegung einnehmen, im Vergleich zur Situation vor der Änderung der Fahrhöhe.
Dadurch entsteht ein Unterschied in der Verteilung der Lastverlagerung zwischen Vorder- und Hinterachse und damit verändert sich das Lenkverhalten.
Bei der Dämpfung ist es etwas anders: Sie verändert die Geschwindigkeit der Wank- und Nickbewegung, wodurch sich das Verhalten im Übergangszustand verändert.
Bei geringer Dämpfung ändern sich die Lenkerwinkel früher und schneller. Bei hoher Dämpfung erfolgt die Änderung der Lenkerwinkel langsamer.
Genau deshalb kann es beispielsweise dazu kommen, dass ein Auto mit ganz weicher Dämpfung an der Hinterachse beim Einlenken zum Übersteuern neigt.
Sobald die Wankbewegung ihr Maximum erreicht hat und das Fahrzeug in den stationären Kurvenzustand übergeht, bewegen sich die Fahrwerkslenker nicht mehr. Die Dämpfung hat dann keinen Einfluss mehr.
Gleichzeitig spielt die Dämpfung auch direkt eine Rolle bei der Übertragung der Lastverlagerung auf die Reifen. Ihre Wirkung beschränkt sich also nicht auf diesen einen Mechanismus.
Wie die Höhe des Wankzentrums die Balance verändert
Und schließlich kommen wir zu Punkt (5): „Die Höhe des Wankzentrums verändert, wie stark die einzelnen Faktoren ins Gewicht fallen.“
Eigentlich müsste man diesen Punkt mit Gleichungen erklären. Diesmal verzichte ich aber komplett darauf und stelle die Zusammenhänge bewusst ohne Formeln dar, damit der Artikel gut lesbar bleibt.
Dadurch sind einige Formulierungen zwangsläufig etwas ungenauer.
Wenn ihr die konkreten Zusammenhänge wissen möchtet, empfehle ich euch deshalb, euch die folgende Seite anzusehen. Leider ist sie auf Japanisch, und ich habe nach etwas Vergleichbarem auf Englisch gesucht, aber nichts Passendes gefunden.
Irgendwann schreibe ich selbst noch darüber. Bis dahin müsst ihr euch noch etwas gedulden. haha
Wir haben also darüber gesprochen, dass die gesamte Lastverlagerung des Fahrzeugs durch vier Faktoren bestimmt wird – Fahrzeuggewicht, Querbeschleunigung, Schwerpunktshöhe und Spurweite – und dass die Verteilung dieser Lastverlagerung zwischen Vorder- und Hinterachse durch Wanksteifigkeit und Lenkerwinkel bestimmt wird.
Wenn dadurch die Lastverlagerung an der Vorderachse zunimmt, nimmt also die gesamte Seitenkraft der beiden Vorderreifen ab. Nimmt die Lastverlagerung an der Hinterachse zu, nimmt entsprechend die gesamte Seitenkraft der beiden Hinterreifen ab.
Übrigens gilt: Je größer der Abstand zwischen Schwerpunkt und Wankachse – also der Wankmomentarm –, desto größer wird die Wankbewegung.
Umgekehrt wird das Wanken kleiner, je kürzer der Wankmomentarm wird. Aber was würde passieren, wenn Wankachse und Schwerpunkt exakt auf gleicher Höhe liegen würden – der Wankmomentarm also null wäre?
In diesem Fall würde sich das Fahrwerk selbst bei Kurvenfahrt überhaupt nicht in Wankrichtung bewegen.
Trotzdem würde weiterhin eine Lastverlagerung stattfinden, sodass sich die Karosserie durch die Verformung der Reifen neigen würde.
Es wäre ungefähr so, als hätte das Auto überhaupt keine Federung, die Wankbewegungen zulässt – vielleicht wie eine rechteckige Kiste mit Reifen daran.
(Nebenbei: Wenn man die Wankachse von dort aus noch weiter nach oben verschiebt, kehrt sich die Wankrichtung um.)
Wie sieht in diesem Fall die Verteilung der Lastverlagerung zwischen Vorder- und Hinterachse aus?
Sie entspricht dann der statischen Gewichtsverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse bei 1 g.
Nehmen wir also an, wir haben ein Auto mit einer Gewichtsverteilung von 60:40 zwischen Vorder- und Hinterachse. Wenn wir die Wankachse so weit anheben, dass der Wankmomentarm null wird, beträgt auch die Verteilung der Lastverlagerung bei Kurvenfahrt 60:40.
Machen wir nun das Gegenteil und senken die Wankachse ab.
Wenn wir die Wankachse immer weiter absenken, bis sie auf Höhe des Bodens liegt, entspricht der Wankmomentarm der Schwerpunktshöhe. Die Verteilung der Lastverlagerung zwischen Vorder- und Hinterachse entspricht dann der Verteilung der Wanksteifigkeit.
In diesem Fall spielt die statische Gewichtsverteilung bei 1 g keine Rolle mehr. Nehmen wir beispielsweise ein Auto mit einer Gewichtsverteilung von 60:40 bei 1 g und einer Wanksteifigkeitsverteilung von 50:50. Wenn wir die Wankachse auf Bodenhöhe absenken, beträgt die Verteilung der Lastverlagerung zwischen Vorder- und Hinterachse 50:50.
(Nebenbei: Wenn man die Wankachse noch weiter absenkt, kehrt sich die Richtung des Moments um, das über die Fahrwerkslenker in die Karosserie eingeleitet wird. Da dieses jedoch durch das Moment der Wanksteifigkeit ausgeglichen wird, ändert sich die tatsächliche Wankrichtung nicht.)
Was passiert schließlich, wenn sich die Wankachse auf halber Höhe des Schwerpunkts befindet?
In diesem Fall wird das Fahrzeug gleichermaßen von der statischen Gewichtsverteilung bei 1 g und von der Verteilung der Wanksteifigkeit beeinflusst.
Wenn man die Wankachse von dort aus schrittweise anhebt, wird der Einfluss der statischen Gewichtsverteilung bei 1 g stärker. Senkt man sie dagegen schrittweise ab, wird der Einfluss der Verteilung der Wanksteifigkeit stärker.
Um das Ganze ausschließlich mit Text zu erklären und den Artikel gut lesbar zu halten, habe ich diesmal den Einfluss der Spurweite und anderer Faktoren weggelassen.
Als grundsätzliche Tendenz sollte diese Erklärung aber passen. Wenn ihr allerdings detaillierte Berechnungen durchführen möchtet, solltet ihr beachten, dass es je nach Situation zu Abweichungen kommen kann.
Wenn ihr das Ganze wirklich auf Englisch genauer untersuchen möchtet, könnte die folgende Seite hilfreich sein. Dort wird das Thema allerdings grundsätzlich für eine einzelne Achse – Vorder- oder Hinterachse – erklärt, weshalb es sich etwas von der Betrachtung hier im Artikel unterscheidet.
„Geometric & Elastic Weight Transfer and the Roll Centre“
Damit wäre ich für diesmal am Ende.
Ich habe diesmal erklärt, durch welche Mechanismen sich das Lenkverhalten eines Autos verändert, wenn man beispielsweise die Wanksteifigkeit oder die Fahrhöhe verändert.
Man könnte das gewissermaßen als Abstimmung über die Lastverlagerung bezeichnen. Natürlich gibt es noch andere Möglichkeiten, das Lenkverhalten abzustimmen, etwa über Reifendruck, Achsvermessung oder Aerodynamik. Die Lastverlagerung gehört aber zu den Grundlagen, die man verstehen sollte, wenn man sich mit den Mechanismen eines Fahrwerks beschäftigt.
Ich hoffe, der Artikel ist für euch irgendwie hilfreich.