Wirf einen Blick
unter das Heck eines modernen Supersportwagens und du wirst sehen, wie
sich der Unterboden aufwärts wölbt, wahrscheinlich unterteilt von
vertikalen Luftführungen. Das ist der Diffusor, Teil eines ganzen
Pakets von aerodynamischen Maßnahmen zur Verstärkung des Anpressdrucks,
bei dem die unter dem Auto fließende Luft genutzt wird. Es arbeitet
nach dem guten, alten Bernoulli-Prinzip, das jedem bekannt ist, der in
der Schule bis zum bitteren Ende Physik als Fach gewählt hatte.
Das Venturi-Prinzip erstmals auf ein Fahrzeug übertragen
Monsieur Bernoulli hatte Gleichungen formuliert, die die Eigenschaften
des Fließens von Luft beschreiben, und festgestellt, dass Luft, die
durch eine Verengung (Venturi-Kanal) fließt, beschleunigt, während ihr
Druck zugleich abfällt. Wird dieser niedrige Druck unterhalb des
Fahrzeugs erzeugt, führt er zu höherer Last auf den Rädern und dadurch
zu mehr Haftung, was eine höhere Kurvengeschwindigkeit erlaubt –
praktisch für ein Straßenauto, unabdingbar für ein Rennfahrzeug. Es war
daher kein Zufall, dass diese Idee zuerst im Grand-Prix-Sport
aufgegriffen wurde.
Zuerst begann man in den späten 60er Jahren, Flügel auf Rennfahrzeuge
zu montieren, um deren Neigung abzuheben zu entgegnen. Aber die Teams
erkannten schnell, dass die Reifen umso besser arbeiteteten, je stärker
die Flügel die Fahrzeuge nach unten drückten. Nach dem Prinzip »je
mehr, je besser« schlug ein junger Ingenieur bei BRM namens Peter
Wright vor, man solle doch flügel-profilierte Seitenkästen bauen. Sein
Konzept wurde in Metall geformt und lief, starb dann aber in den Ruinen
des Teams, als dieses in Schwierigkeiten geriet, bevor seine Vorteile
erkennbar geworden wären.
Später probierte er dasselbe Prinzip, als er für die Firma Specialised
Mouldings arbeitete. Sie sollte Zusatztanks für den March 701 liefern.
»Ich schlug Seitentanks mit der umgekehrten Form von Tragflächen vor«,
erinnert sich Wright, »und sie erschienen bei mehreren Rennen an den
Fahrzeugen.« Aus heutiger Sicht fügt er hinzu: »Ich bezweifle, dass sie
viel Abtrieb erzeugten, aber sie nahmen den Treibstoff auf, ohne dass
der Luftwiderstand nachteilig beeinflusst wurde.«
1974 wechselte Wright zu Lotus und begann, Grand-Prix-Fahrzeuge nach
aerodynamischen Gesichtspunkten von Grund auf neu zu durchdenken.
Gemeinsam mit Chefdesigner Ralf Bellamy verbrachte er viel Zeit im
Windkanal des Imperial College, wo sie ein 1:4-Modell untersuchten. Es
hatte ein schlankes Chassis, mit Kühlern und Tanks in Wrights
flügelförmigen Seitenkästen, um sie ohne zusätzlichen Luftwiderstand
unterzubringen. Zusätzlich brachten sie seitlich vertikale Platten an.
»Nach einer Woche im Windkanal hatte das starke hölzerne Modell so
viele Veränderungen mit Pappe, Modellierton und Klebeband durchgemacht,
dass es seine innere Stabilität zum größten Teil eingebüßt hatte«, sagt
Wright.
CAD-Zeichnung des Fahrzeugs
Nach einer arbeitsreichen Woche lieferte der Windkanal plötzlich keine
konsistenten Ergebnisse mehr. »Irgendwas war da falsch«, erinnert sich
Wright, »und als wir uns das Modell genau anschauten, wurde klar, dass
die Seitenkästen unter einer Last nachgaben.« Bellamy und Wright fanden
schnell heraus, dass die Seitenkästen Abtrieb erzeugten. Und je mehr
sie nachgaben, desto geringer wurde der Abstand zwischen Boden und
vertikalen Seitenplatten und das erhöhte den Anpressdruck.
Diese fast zufällige Entdeckung führte schnell zu dem Design, das
Ground-Effect-Fahrzeuge definierte: den Lotus 79, der 1978 die WM
gewann. Die im Modell noch flügelförmigen Seitenkästen entwickelten
sich zu »Venturis«, wie man sie nunmehr nannte, die übergangslos in die
beiderseits neben dem schlanken Chassis platzierten Seitenkästen
integriert waren. Der Lotus hatte auch Gleitschürzen (»gliding
skirts«), die den Raum zwischen den Seitenplatten und dem Asphalt
abschlossen, um das unerwünschte Eindringen von Luft in diesen so
wichtigen Unterdruckbereich zu verhindern. Und er entwickelte bei
weitem mehr Abtrieb als jedes andere Auto, das nur Flügel nutzte, zu
dem Zeitpunkt hatte. Um den mittlerweile altbekannten Spruch zu
verwenden: Es hätte bereits damals alleine durch den hohen Abtrieb an
der Decke fahren können.
Bald begann jedermann Lotus zu kopieren, aber das Phänomen brachte auch
Probleme mit sich. Mit den Kurvengeschwindigkeiten gingen auch die
Lasten auf den Fahrwerksteilen hoch. Das führte reihenweise zu
Ausfällen, wie sie die Ingenieure vorher nie gesehen hatten. Und damit
kam es zu wilden Unfällen, so dass das Reglement geändert wurde. Erst
wurden die Schürzen verboten, 1983 dann flache Unterböden, um diese
neue Entwicklung ein für allemal zu verbannen.
Aber was man einmal gelernt hat, ist nicht leicht wieder vergessen. Die
Teams fanden andere Wege, Abtrieb über den Unterboden zu erzeugen.
Heute wird der Ground Effect überall im Motorsport genutzt, in modernen
GP-Fahrzeugen trägt er rund 40 Prozent zum gesamten Abtrieb bei.
Supersportler für die Straße nutzen ebenfalls dieses Prinzip, um dem
Auftrieb entgegenzuwirken und bei hohen Geschwindigkeiten förmlich auf
der Straße zu kleben.
Das nun ist also die Geschichte des Ground Effects, wie er in
Rennfahrzeugen eingesetzt wird. Wirklich? Es gibt einen erstaunlichen
Nebenaspekt zu dieser Geschichte, der einige zwingende Fragen
unbeantwortet gelassen hat.
Ein halbes Jahrhundert, bevor der Ground Effect 1978 in die
Rennsportszene platzte, erschien ein Brief in dem britischen Journal
»The Automobile Engineer« (siehe Textkasten nächste Seite). Er stammte
von einem Monsieur R. Prévost, der als Präsident des Technischen
Komitees des Fliegereiclubs von Algerien unterzeichnete. Darin
beschrieb Prévost ein Auto, das die Luft unter der Karosserie nutzt, um
es nach unten zur Straße zu ziehen und so seine Tendenz, leichter zu
werden oder gar abzuheben, zu überwinden. Er beschrieb sein Ziel damit,
»eine Form des Kiels [der Karosserie] zu finden, die in der Lage ist,
einen möglichst geringen Widerstand bei der Vorwärtsbewegung in der
Luft zu bieten und zugleich der Maschine eine maximale Stabilität und
Kraft zu geben, auf der Piste zu bleiben«.
Das alles klingt recht bekannt, wie auch die Beschreibung der unteren
Karosserie als »nichts anderes als ein Venturi-Rohr«. Prévost erkannte
sogar die Notwendigkeit, die Seitenflächen unter dem Fahrzeug zu
schließen, um die Luft daran zu hindern, in den Niederdruckbereich
einzuströmen. Er konzedierte allerdings, dass eine Lücke bleiben müsse,
um nicht mit dem Fahrzeug über die Fahrbahn zu schrammen. Die Idee der
Gleitschürzen war ihm nicht gekommen.
Es sieht so aus, als hätte er die Idee, Luftdruck zum Anpressen des
Fahrzeugs auf die Straße zu nutzen, bereits Jahrzehnte vor dem Gebrauch
von Flügeln gehabt. Weiterhin hatte er das Konzept des Ground Effect
ziemlich ausgearbeitet – rund 50 Jahre, bevor es auf die Rennstrecken
dieser Welt gelangte. Wer war dieses kreative Genie?
René Prévost wurde 1886 in Asnières nördlich von Paris geboren. Während
des ersten Weltkrieges war er Ballonfahrer, nach seinem
Ingenieursabschluss 1919 wurde er Direktor des Veritas-Büros in
Algerien. Von schwacher Gesundheit, konnte er oft nur mit Stöcken
gehen, möglicherweise wegen einer schweren Osteoporose. Trotz dieser
Behinderung wurde Prèvost eine der führenden Persönlichkeiten des Air
Club von Algerien von 1920 bis 1956. 1930 zum Vizepräsidenten des Clubs
gewählt, wurde er 1933 Vizepräsident und Generalsekretär des
Nordafrikanischen Fliegereiverbandes. In jenem Jahr nahm ihn auch die
französische Ehrenlegion als Mitglied auf, eine hohe Auszeichnung.
Zwölf Jahre später wurde er Präsident des algerischen Clubs.
Erstaunlich ist, dass er ohne Betätigung im Motorsport die Grundlagen
des Ground Effects für die Anwendung am Auto herausfand. Die große
Frage ist natürlich: Hätte seine Idee funktioniert? Wir dachten, dass
es interessant wäre, dies herauszufinden. Dank moderner Technik ist das
relativ einfach. Mit der Anwendung aktueller Software ist es möglich,
den Luftstrom an Prévosts Konzept zu simulieren und realistische Zahlen
zu den Kräften, die es generiert hätte, zu produzieren.
Aber könnten wir anhand der begrenzten Informationen, die uns zu der
von ihm beschriebenen Karosserie vorliegen, die Form seines Fahrzeugs
konstruieren? Alles, was uns dazu vorlag, war eine Strichzeichnung der
Basisform und ein sehr kleines Foto des Windkanalmodells. Wir fragten
Stuart Brown von 3D Engineers.
Mit der CAD-Software SolidWorks begann Brown, alle zur Verfügung
stehenden Daten in die Konstruktion aufzunehmen. »Ich begann damit, die
Form anhand des Diagramms zu zeichnen«, sagt er, »aber das gab mir
nicht alle notwendigen Informationen. Zum Glück war das Foto vom
Windkanalmodell eine große Hilfe. Es lieferte mir die Form der Seiten
und die Übergänge der inneren und äußeren Oberflächen. Auf der
Zeichnung war die Position des Lenkrad erkennbar falsch, so dass ich
sie vom Foto übernahm. Der beste Augenblick war, als ich fertig wurde:
Ich richtete das CAD-Modell im selben Winkel aus wie das Modell auf dem
Foto und sie sahen identisch aus.«
Ergebnisse: Die Farben stehen für die Kräfte (z) der
Vertikalachse und zeigen im schmalen Abschnitt des Venturi-Kanals einen
Bereich starken Abtriebs. Dem wirkt der Auftriebsbereich unter der
Fahrzeugfront teilweise entgegen. Eine Absenkung der Fahrzeugnase
könnte das verhindern
Zuversichtlich, dass wir die Form übereinstimmend erstellt hatten,
übergaben wir das Modell an TotalSim, Experten für CFD-Berechnungen
(Computational Fluid Dynamics – nummerische Strömungssimulation). Mit
dieser Software kann die Strömung eines Mediums (Flüssigkeit oder Gas)
errechnet werden, heute allgemein Standard bei der
Aerodynamik-Entwicklung von Rennfahrzeugen. TotalSim hat Kunden in
allen Bereichen des Motorsports, einschließlich Formel 1, und weiß, wie
man verlässliche Zahlen erhält. Was dachte Inhaber Rob Lewis, als er
das Design sah? »Ich war verblüfft, dass jemand das vor so vielen
Jahren gemacht und im Windkanal getestet hat.«
Wir beschlossen, das Modell bei drei Geschwindigkeiten zu testen, um zu
sehen, wie viel Abtrieb es produzieren würde. Als erstes mit 80 mph
(129 km/h), entsprechend der damals wahrscheinlich maximalen
Kurvengeschwindigkeit mit Straßenreifen auf einem Rennfahrzeug. So
könnten wir überprüfen, ob es eine bessere Rundenzeit erzielen könnte.
Dann mit 120 mph (193 km/h), der Kurvengeschwindigkeit eines modernen
Rennfahrzeugs mit Abtrieb, um die Effizienz zu vergleichen. Schließlich
mit 200 mph (322km/h), die man damals mit Rekordfahrzeugen zu erreichen
versuchte, um zu sehen, wie sehr die Idee dabei hätte helfen können.
CFD-Berechnung des Luftstroms
Die Simulation sollte so realistisch wie möglich sein: Graham Martin
von TotalSim platzierte einen Fahrer ins Cockpit, ließ entsprechend der
simulierten Geschwindigkeit eine bewegte Straße unter dem Fahrzeug
laufen und die Räder drehen. »Im Vergleich zu modernen Rennfahrzeugen
war es noch immer ein recht einfaches Modell«, sagt er dazu.
Nun, was ergab die Simulation? Bei 80 mph erzeugte das Modell Abtrieb
wie erhofft, wenn auch nur bescheidene 76 kg. Mit 120 mph ergaben sich
bereits 172 kg, signifikant, aber noch weit entfernt von den 550 bis
600 kg moderner F1-Fahrzeuge. Bei 200 mph ergaben sich dann bis zu 495
kg Abtrieb.
Interessanter als der absolute Wert ist, wo der Abtrieb entsteht.
Erstaunlicherweise zeigt der Test, dass er unabhängig von der
Geschwindigkeit kurz vor der Hinterachse entsteht. Das würde bedeuten,
dass das Auto hervorragende Traktion hätte, aber stark untersteuern
würde, wenn es bei hoher Geschwindigkeit in die Kurve einlenkte. Ein
eigenartiges Ergebnis, besonders, wenn sich den CpZ-Plot anschaut. Das
ist eine Karte, die zeigt, wo die vertikalen Kräfte an der
Fahrzeugunterseite wirken (s. Grafik). Sie zeigt einen schöne blauen
Bereich für die abwärts wirkende Kraft, der sich über den größten Teil
der Karosserie erstreckt.
Wo geht es dann so schief? Graham weist auf die rote Zone am vorderen
Ende. Dort entsteht deutlicher Auftrieb, der einen großen Teil des
Abtriebs unter der Mitte des Autos aufhebt.
War das Design also ein Flop? Überhaupt nicht, sagt Lewis, und zeigt,
dass ein Absenken der Fahrzeugnase um lediglich 20 % den
Stagnationspunkt aufheben würde und damit auch den Auftrieb. Eine
schnelle Vergleichsrechnung belegt die Anhebung des Anpressdrucks um
rund 44 %, wenn man den Auftrieb vorne abzieht. Zugleich liegt die
stärkste Wirkung um ein Drittel weiter nach vorne.
Diese Zahlen sind bei weitem nicht mit denen der ersten
Ground-Effect-Autos wie der Lotus zu vergleichen, und Wright hebt
hervor, dass die Schürzen entscheidende Elemente dafür sind. Für die
Traktion wäre das ein merklicher Beitrag gewesen, bemerkte Lewis,
unabdingbar für Geschwindigkeitsrekorde, wo es vor allem darauf
ankommt, schnell auf Geschwindigkeit zu kommen. Genau dort sah ihr
Erfinder auch die prinzipiellen Vorteile sah. »Er hat das Auto in die
richtige Spur gebracht«, sagt Rob, »er hätte bloß ein paar Schritte in
die Richtung gehen müssen und wäre ans Ziel gekommen.«
Aber warum hat niemand diese Idee aufgegriffen? Lewis hat auch dazu
eine Theorie. »Was mich im Motorsport im allgemeinen am meisten nervt,
ist die mangelnde Bereitschaft, sich neue Ideen anzuschauen. Die sagen
alle ›das ist nicht bei uns erfunden worden‹. Der arme Kerl ist
vielleicht zu ein paar Werksteams gegangen und hat gesagt, ›schaut euch
das mal an‹, und die sagten nur ›kein Interesse‹. Wenn es damals auch
annähernd so lief wie heute, dann werden sie es ignoriert haben.«
Und was geschah mit Monsieur Prévost? Er verließ Algerien mit 70
Jahren und ging in Marseille in den Ruhestand. 1974 gab es das letzte
Lebenszeichen von ihm – das Jahr, in dem Wright zu Lotus ging und an
dem Windkanalprojekt zu arbeiten begann, das zur Entdeckung des
Ground Effects führte. Wir wissen nicht, ob René Prévost je erfahren
hat, wie Rennfahrzeuge die von ihm entdeckten Prinzipien umsetzten. Zu
der Zeit wäre er bereits 88 Jahre alt gewesen, Wright hat er nie
getroffen. Aber es brauchte 50 Jahre, bevor andere mit seiner Idee
gleichzogen. Dafür hätte er eine Medaille in der Halle der beinahe
Berühmten verdient. [•]
Dank an: Stuart von 3D Engineers, www.3dengineers.co.uk; Rob und Graham von TotalSim, www.totalsimulation.co.uk;
Pierre Jarrige, www.aviation-algerie.com
Dieser Artikel erschien in Ausgabe 13 von motorsport-guide.
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Visionär: René Prévost wandte möglicherweise als Erster aerodynamische Prinzipien auf Automobile an
Konzeptstudie: Hätten Rennfahrzeuge so ausgesehen, wenn René Prévosts Idee sich durchgesetzt hätte?
Lotus 1978 mit Ground Effect
Brief von Prévost mit Beschreibung seiner Idee
Die Form: Die Unterseite des Fahrzeugs ist so ausgelegt,
dass sie mit der Straßenoberfläche einen halben Venturi-Kanal bildet.
Während die Luft unter dem Auto entlangströmt, beschleunigt sie und ihr
Druck fällt ab. Seitlich eindringende Luft würde den Effekt erheblich
beeinträchtigen
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