Rennwagentechnik: Grundlagen, Konstruktion, Komponenten, Systeme

959 Pages·2012·33.26 MB·German

by  FH-Prof. DI Michael Trzesniowski (auth.)

ATZ/MTZ-Fachbuch
DiekomplexeTechnikheutigerKraftfahrzeugemachteinenimmergrößerwerdendenFundus
anInformationennotwendig,umdieFunktionunddieArbeitsweisevonKomponentenoder
Systemenzuverstehen.DenraschenundsicherenZugriffaufdieseInformationenbietetdie
ReiheATZ/MTZ-Fachbuch,welchediezumVerständniserforderlichenGrundlagen,Datenund
Erklärungenanschaulich,systematisch,aktuellundanwendungsorientiertzusammenstellt.
DieReihewendetsichanFahrzeugingenieureinPraxisundStudium,dieimRahmenberuflicher
WeiterbildungNachschlagebedarfhabenundimZusammenhangFragestellungenihres
ArbeitsfeldesverstehenmüssensowieanProfessorenundDozentenanHoch-und
FachhochschulenmitSchwerpunktKraftfahrzeugtechnik.Sieliefertgleichzeitigdas
theoretischeRüstzeugfürdasVerständniswieauchdieAnwendungen,wiesiefürGutachter,
PrüferundEntwicklungsingenieureinderAutomobil-undZulieferindustriebenötigtwerden.
Michael Trzesniowski
Rennwagentechnik
Grundlagen, Konstruktion, Komponenten,
Systeme
3., aktualisierte und erweiterte Auflage
Mit 1088Abbildungenund99Tabellen
PRAXIS
FH-Prof.DIMichaelTrzesniowski
FHJOANNEUM,StudiengangFahrzeugtechnik
AltePoststraße149,8020Graz
Austria
[email protected]
ISBN978-3-8348-1779-2 ISBN978-3-8348-2209-3(eBook)
DOI10.1007/978-3-8348-2209-3
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Vorwort
DerRennsport hatschonimmereineFaszinationaufTechnikerwieaufLaiengleichermaßenaus-
geübt, wenn vielleicht auch mit anderen Sichtweisen. Auf jeden Fall steht eines imVordergrund:
DasAuslotendesmenschlichundphysikalischMachbaren. FürTechnikeristdieSuchenachdem
Optimum faszinierend und wichtig zugleich, auch wenn es nicht (gleich) erreichbar ist. Kennt
man zumindest die richtige Richtung, kann man die Weichen einer Entwicklung zukunftsträchtig
stellen. In dem Zusammenhang war eine Publikation für mich richtungweisend, bei der in einer
GrafikeineBauteilauslegunginunterschiedlicheBereichegegliedertwar.Weitabgerücktvonden
Serienteilen hob sich ein Bereich hervor, der mit „Vorausentwicklung/Forschung und Rennsport“
zusammengefasstwar.Das,washeutealsExtrembeispielversuchtwird,kannmorgenalsSerienlö-
sungaufgegriffenwerden.ImRennsportwirdlosgelöstvomSerienalltagversucht,eineLösungauf
technischeProblemstellungenzufinden.AllerdingsnichtirgendeineLösung,sonderneineherausra-
gende,eine,dieeinenWettbewerbsvorteilgegenüberdenGegnernverschafft.Faszinierendistauch,
mitwelchemEinsatzdieBeteiligtendabeivorgehen.VergleichsweisekleineAbteilungenschaffen
inverblüffend kurzer ZeitMotoren, Rahmen, jaganzeFahrzeuge, dienoch dazukonkurrenzfähig
sind.
NatürlichwirddieEntwicklungdabeistarkvomReglementvorgegeben.Langstreckenrennenund
RallyessindaufGrundderAnforderungennäheranSerienlösungenangesiedeltalsSprintbewerbe
aufderRundstrecke.
Wenn Beispiele aus der Formel 1 an verschiedenen Stellen in diesem Buch auftauchen, dann
deshalb weil diese Rennserie zumindest in Europa den Gipfel an finanziellem sowie personellem
AufwanddarstelltundsozumindestimmittlerweileenggestecktenRahmenihresReglementsdas
derzeitMachbaredarstellt.DieseBeispielesollenabernichtdieLeistungenvonanderenRennsport-
klassenschmälern,diemituntermitwenigenfreiwilligenHelfernmanchmalnurunterEinsatzvon
PrivatmittelnvergleichsweiseBeachtlichesaufdieRäderstellen.HierwirdfehlendesBudgetdurch
ansteckendeBegeisterungausgeglichen.IchmöchtemichauchbeialldiesenTeamsbedanken,die
sichbereitwilligdieZeitgenommenhabenundmireinenoffenen,ungehindertenZugangzuihrer
Technikermöglichthaben.
DiesesBuchsolldasWisseninteressierterLaienerweitern,sodasssiebeimnächstenRennbe-
suchdieFahrzeugemitanderenAugenbetrachtenkönnenundimFahrerlagerbeileidenschaftlichen
Gesprächen über den Wagen mitdiskutieren können. Weil nicht jede vorkommende Fachvokabel
geläufigseinkann,gibteseinenAnhangmitErläuterungenzuwichtigenAusdrücken.
DiesesBuch ist aber auch für Studierende einer technischen Fachrichtung ebenso gedacht wie
fürbereitsberufstätigeIngenieure,dieihrWissenindenRennsportbereichausweitenwollen.Des-
VI Vorwort
halbwerdenanwesentlichenStellenauchphysikalischeHintergründesamteinfachenGleichungen
dargelegt.
ZahlreichedankendeundermunterndeLeserzuschriftenbestätigen,dassdieseZieleerreichtwur-
den. Viele Vorschläge für Verbesserungen und Ergänzungen sind in die vorliegende 3. Auflage
eingeflossen.
DreiwesentlicheErweiterungenhatdieseAuflageerfahren.AllesamtausdemBereichdesAn-
triebs:DieAbgasturboaufladung, derHybrid-undderElektroantriebwerdennuninangemessener
Tiefebehandelt.VorallemdieEntwicklungderneuenAntriebsartenwerdensowohlaufderRenn-
strecke als auch auf der Straße mit großem öffentlichen Interesse verfolgt. Hoffentlich kann der
MotorsportauchaufdiesemGebietseinerVorreiterrollenachkommenunddietechnischeEntwick-
lungaufgewohntunbürokratischeundgewiefteArtvorantreiben.
IchwünscheallenLeserinnenundLesern,dasssiebeiderLektürewesentlicheImpulsefürStu-
dium, Beruf und/oder Freizeit aus dem vorliegenden Werk erhalten, sei es weil sie ein Fahrzeug
konstruieren,einesbauenoderweilsieeinesneugierigbetrachten.
Graz,imFrühjahr2012 MichaelTrzesniowski
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungen,FormelzeichenundEinheitenListofSymbolsandUnits . . . . . . . XIII
A EinleitungIntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1 ArtenvonRennfahrzeugenTypesofRaceCars . . . . . . . . . . . . . 1
2 VergleichRennsport-SerieComparisonRacingvs.MassProduction . . . . 8
3 EntwicklungsablaufDevelopmentProcess . . . . . . . . . . . . . . . 11
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
B FahrzeugkonzeptVehicleConcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1 EntwicklungsablaufDevelopmentProcess . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 AuslegungsbereicheLayoutSections . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 KonzeptmerkmaleConceptCharacteristic . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1 AggregatlageundAntriebskonzeptEnginePositionandDriveLayout 19
3.2 KonzeptvergleichConceptComparison . . . . . . . . . . . . . 22
4 KonzeptionierungGesamtfahrzeugLayoutofOverallVehicle . . . . . . . 38
5 AllgemeineKonstruktionsprinzipienbeimEntwerfenPrinciplesofEmbodiment
DesigninGeneral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6 WerkstoffeMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.1 ÜbersichtgängigerWerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.2 WerkstoffvergleichMaterialComparison . . . . . . . . . . . . 59
6.3 WerkstoffwahlMaterialSelection . . . . . . . . . . . . . . . 60
7 KostenCosts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
C SicherheitSafety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
1 FahrzeugaufbauVehicleConstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2 SchalterSwitches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3 SchutzeinrichtungenProtectingDevice . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4 PrüfungenTests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
VIII Inhaltsverzeichnis
D CockpitCockpit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
1 KonzeptLayout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2 FahrerpositionDriver’sPosture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3 SitzSeat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4 LenkradSteeringWheel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.1 LagedesLenkradesPositionofSteeringWheel . . . . . . . . . 99
4.2 LenkradabmessungenundAusführungenSteeringWheel,Dimensions
andTypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5 FußhebelwerkundPedaleBracketryandPedals . . . . . . . . . . . . . 104
6 SchaltungGearLinkage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7 ArmaturenbrettDashboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
8 RückhaltesystemeRestraintSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
9 BeispieleExamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
E AerodynamikAerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
1 EinleitungIntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
2 LuftwiderstandAerodynamicDrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3 AbtriebDownforce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4 FlügelberechnungCalculationofWings . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5 LuftleitelementeDeflectorDevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6 WärmeabfuhrundEntlüftungHeatRemovalandVentilation . . . . . . . . 170
7 AuslegungundAbstimmungDimensioningandSetup . . . . . . . . . . 178
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
F AußenhautBodywork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
1 BegriffeTerms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
2 AnforderungenRequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
3 GestaltungDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
4 WerkstoffeMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
G ReifenundRäderTyresandWheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
1 BegriffeTerms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
2 ReifenTyres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
2.1 AnforderungenRequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
2.2 GrundlagenBasics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
2.3 EinflussaufdasFahrverhaltenInfluenceonDrivingBehaviour . . . 208
2.4 WahlderReifengrößeChoosingofWheels . . . . . . . . . . . 231
2.5 ReifendatenSpecifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
2.6 ReifenartenTypesofTyres . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
2.7 VentilValve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
3 RäderWheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
3.1 AnforderungenRequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
3.2 BezeichnungenvonRädernDesignationofWheels . . . . . . . . 236
3.3 ArtenvonRädernTypesofWheels . . . . . . . . . . . . . . . 238
3.4 WahlderRadgrößeChoosingofTyres . . . . . . . . . . . . . 239
4 RadbefestigungWheelMounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Inhaltsverzeichnis IX
H FahrwerkSuspension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
1 FunktionFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
2 BegriffeundkinematischeGrößenTerms . . . . . . . . . . . . . . . 254
2.1 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
2.2 EntwicklungszieleDesignGoals . . . . . . . . . . . . . . . 269
3 TeilederRadaufhängungPartsofaSuspension . . . . . . . . . . . . . 282
3.1 RadaufnehmendeElementeWheelCarryingElements . . . . . . . 282
3.2 VerbindungsgliederLinkage . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
3.3 GelenkeJoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
3.4 RadlagerWheelBearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
3.5 BerechnungCalculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
4 FederungSprings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
5 DämpferDamper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
5.1 SchwingungenOscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
5.2 SchwingungsdämpferDampers,ShockAbsorbers . . . . . . . . 321
6 StabilisatorenStabilisers,AntiRollBars,AE:SwayBars . . . . . . . . . 336
6.1 BerechnungCalculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
6.2 GestaltungvonStabilisatorenDesignofAntiRollBars . . . . . . 345
6.3 BeispielevonStabilisatorenExamplesofAntiRollBars . . . . . . 352
7 BauformenvonAchsenTypesofSuspensions . . . . . . . . . . . . . . 352
7.1 DoppelquerlenkerachseDoubleWishboneSuspension . . . . . . . 354
7.2 BauteilevonDoppelquerlenkerachsenPartsofDoubleWishboneAxles 365
7.3 McPhersonAchseMcPhersonAxle . . . . . . . . . . . . . . 398
7.4 StarrachseBeamAxle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
8 BeispielevonRadaufhängungenvonRennfahrzeugenExamplesofRaceCar
Suspensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
9 DatenData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
I BremsanlageBrakingSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
1 AllgemeinesGeneral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
2 AnforderungenanBremsanlagenBrakeSystemRequirements . . . . . . . 411
3 PhysikalischeGrundlagenPhysicalBasics . . . . . . . . . . . . . . . 411
4 BremsenbauartenundAnordnungenBrakeConstructionsAndArrangements . 423
5 KennwerteParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
6 BauteilevonBremsanlagenPartsofBrakingSystems . . . . . . . . . . 430
7 BremseneinbauBrakeInstallation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
8 AuslegungskriterienvonBremsanlagenDimensioningCriterions . . . . . . 455
9 NormenStandards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
J LenkungSteering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
1 AnforderungenRequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
2 AuslegungTerms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
2.1 Lenkwinkel,SpurdifferenzwinkelSteerAngle,AckermannAngle . . 459
2.2 KenngrößenderLenkgeometrieParametersofSteeringGeometry . . 464
2.3 LenkübersetzungSteeringRatio . . . . . . . . . . . . . . . . 470
2.4 LenkunterstützungSteeringAssistance . . . . . . . . . . . . . 474
3 LenkwelleSteeringShaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
X Inhaltsverzeichnis
4 LenkgetriebeSteeringGear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
5 ÜbertragungseinrichtungundAchslagerTransmittingDevicesAndAxleBearing 490
6 LenkungsschwingungenShimmy(VibrationsoftheSteeringSystem) . . . . 504
7 AllradlenkungFourWheelSteering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
K GetriebeauslegungTransmissionCalculation . . . . . . . . . . . . . . . . 509
1 LeistungsbedarfPowerDemand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
2 GetriebeplanundZugkraftdiagrammTractionForceDiagram . . . . . . . 518
3 AntriebsstrangÜbersichtDrivetrainOverview . . . . . . . . . . . . . 523
4 ÜbersetzungenGearRatios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
L RennmotorenCompetitionEngines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
1 GrundlagenFundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
2 MotorenwahlChoiceofEngine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
3 VerlusteLosses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
4 BaugruppenModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
4.1 ZylinderkopfCylinderHead . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
4.2 VentiltriebValveTrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577
4.3 KurbeltriebCranktrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
4.4 KurbelgehäuseCrankcase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602
4.5 AnsauganlageInductionSystem . . . . . . . . . . . . . . . . 606
4.6 AbgasanlageExhaustSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 634
4.7 SchmierölversorgungLubricationSystem . . . . . . . . . . . . 641
4.8 KühlungCoolingSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647
5 BesonderheitenvonRennmotorenSpecialities . . . . . . . . . . . . . 652
6 BetriebsstoffeFuels,CoolantsandLubricants . . . . . . . . . . . . . 654
6.1 KraftstoffeFuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
6.2 SchmierstoffeLubricants . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656
6.3 KühlflüssigkeitCoolant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657
7 BeispielevonMotorenExamplesofEngines . . . . . . . . . . . . . . 657
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664
M AntriebsstrangDriveLine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667
1 FunktionFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667
2 KupplungClutch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672
2.1 KupplungsbauartenTypesofClutches . . . . . . . . . . . . . 673
2.2 AuswahlderKupplungsgrößeChoiceofClutchSize . . . . . . . 679
2.3 KupplungsbetätigungClutchActuation . . . . . . . . . . . . . 680
3 GetriebeGearbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684
3.1 SchaltgetriebeMechanicalGearbox . . . . . . . . . . . . . . 687
3.2 Stufenlosgetriebe(CVT)ContinousVariableTransmission . . . . . 715
3.3 AchsgetriebeFinalDrive . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716
4 DifferenzialDifferential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718
4.1 BeeinflussbareDifferenzialeControlableDifferentials . . . . . . . 723
5 WellenShafts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732
5.1 AntriebswellenProp(eller)ShaftsAE:DriveShafts . . . . . . . . 732
5.2 SeitenwellenHalfShaft,AE:AxleShafts . . . . . . . . . . . . 740