So bremst die Formel 1

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Im Gegensatz zu anderen Rennserien kommen in der Formel 1 Bremsscheiben aus Carbon (Kohlefaser) zum Einsatz. Und so wenig, wie der Motor eines Formel-1-Fahrzeugs mit dem Motor eines Serienfahrzeugs vergleichbar ist, so wenig miteinander vergleichbar sind auch die Bremsen. Dabei unterscheiden sie sich die Hochleistungsbremsen in der Formel 1 weniger in der grundsätzlichen Zusammenstellung der Komponenten, sondern vielmehr durch ihre spezifische, auf die Anforderungen einer Rennstrecke ausgelegten Abstimmung.

 

Formel 1 Bremsen

Der Vorteil dieser mattgrauen Bremsscheiben liegt in ihrer Leistungsfähigkeit in Verbindung mit ihrem geringen Gewicht. Technisch ausgedrückt: Die Leistungsfähigkeit von Bremsscheiben aus Carbon wird durch einen überdurchschnittlich hohen Reibungskoeffizienten von 0,6 bewirkt. Als Resultat erreichen Formel-1-Fahrzeuge Bremsverzögerungen bis zu 5 g. Dabei steht die Einheit „g“ für die Erdbeschleunigung von 9,81 m/s2. Zum Vergleich: Eine perfekte Vollbremsung mit einem Serien-Pkw auf griffigem Untergrund ermöglicht eine Bremsverzögerung von rund 1 g.

So ist auch zu erklären, dass ein Formel-1-Fahrzeug aus einer Maximalgeschwindigkeit von über 300 km/h innerhalb von 90 m auf ein Tempo von weniger als 100 km/h verzögert werden kann. Bildlich und ein wenig spaßhaft kann also bei einer Vollbremsung in der Formel 1 in Verbindung mit weicher Slick-Bereifung kaum noch von Bremsen in herkömmlichen Sinne gesprochen werden – es gleicht eher einem Ankerwerfen bei voller Fahrt. Aus diesem Grund werden Bremsscheiben aus Carbon auch in Militärflugzeuge und moderne Passagierjets eingebaut.

Ein weiterer Vorteil ist das sehr geringe Gewicht von Carbon-Scheibenbremsen, das rund 50 Prozent unter dem Gewicht vergleichbarer Bremsen aus Grauguss liegt. Durch die Gewichtsreduzierung sinken nicht nur die ungefederten Massen, was für ein besseres Ansprechverhalten der Federung sorgt, darüber hinaus sinken die rotierenden Massen am Rad, womit sich das Einlenkverhalten verbessert. Die von Laien häufig gestellte Frage, warum die Konstrukteure diese phänomenale Technik der Formel-1-Fahrzeuge nicht auch für Serien-Pkw nutzen, soll folgend beantwortet werden.

 

Quelle: Allianz
Quelle: Allianz

Aufwendige Herstellung

Die positiven Eigenschaften von Carbon-Scheibenbremsen werden mit einem Bündel von Nachteilen erkauft. Einer Verbreitung in der Großserie steht zuallererst der Preis einer solchen Bremse entgegen. Die Herstellung von Carbonbremsen ist extrem zeitintensiv und zudem fertigungstechnisch aufwendig – so dauert die Herstellung eines Satzes Carbon-Bremsscheiben ungefähr 20 Tage. Daraus erklärt sich, warum ein Satz Bremsscheiben für die Formel 1 rund 5.000 Euro kostet. Selbst ein Satz Bremsbeläge ist schon mit 2.000 Euro zu veranschlagen.

Im Gegensatz zu den Bremsen in einem Serienfahrzeug verschleißen die in der Formel 1 eingesetzten Komponenten zudem sehr schnell. Konkret: Ein Formel-1-Team verbraucht an jedem Rennwochenende mehrere Sätze Bremsscheiben und Bremsbeläge. So wundert es nicht, dass die Bremse an einem Formel-1-Rennwagen einen starken Kostenfaktor bildet.

 

Formel-1-Bremstechnik

Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich die Bremssysteme eines Serienfahrzeugs und eines Formel-1-Renners vom eigentlichen Aufbau her nicht wesentlich voneinander. Grundsätzlich gilt jedoch: Während in herkömmlichen Pkw Stahlbremsscheiben und Beläge aus organischen Materialien verwendet werden, setzen die Formel-1-Teams bei den Bremsen ausschließlich auf Bremsscheiben aus Carbon. Die Bremsscheiben eines Formel-1-Fahrzeugs dürfen dabei höchstens 28 mm dick sein und einen Durchmesser 278 mm nicht überschreiten. Damit sind die Bremsscheiben in der Formel 1 sogar um 10 mm kleiner als die in einem ganz normalen VW Golf V, dessen Bremsscheiben einen Durchmesser von 288 mm Durchmesser aufweisen.

Ein weiterer Unterschied ist, dass Formel-1-Fahrzeuge ebenso wie alle anderen Rennfahrzeuge über einen Waagebalken mit zwei Hauptbremszylindern verfügen. Durch das Justieren des Waagebalkens lässt sich die Bremsbalance verändern, d.h. der Bremsdruck an Vorder- und Hinterachse stufenlos verteilen. Das Verschieben wird notwendig, um das Fahrzeug optimal abbremsen und es dabei stabil halten zu können. Außerdem besitzen Formel-1-Autos weder ABS noch ESP noch einen Bremskraftverstärker. Den notwendigen Bremsdruck muss der Fahrer also alleine aufbringen. Damit wird die Bremse zwar besser dosierbar, aber die Bestätigung kostet den Fahrer deutlich mehr Kraft.

Doch es ist nicht alleine die enorme Bremsleistung, die Carbon-Bremsscheiben für den Renneinsatz in der Formel 1 prädestinieren. Dazu konkretisiert Kai Richter, Mitgeschäftsführer von AT-RS: „Wichtig ist der sogenannte ‚Biss’ der Bremse, also das Ansprechverhalten, das bei einer Carbon-Scheibenbremse stärker ausgeprägt ist. Darüber hinaus ist eine konstant hohe Bremswirkung ohne jegliches Bremsenfading ein weiterer elementarer Faktor.“

 

Quelle: Allianz
Quelle: Allianz

Die richtige Temperatur als zentraler Faktor

Alle diese positiven Eigenschaften bietet die Carbon-Scheibenbremse aber nur innerhalb eines engen Temperaturbereichs, der erst bei rund 400 °C beginnt und bereits bei 750 °C endet. Nur in diesem Temperaturbereich arbeitet die Carbon-Bremsscheibe optimal. Unter 400 °C, also unterhalb der eigentlichen Arbeitstemperatur, baut eine Formel-1-Bremse kaum Verzögerung auf. Oberhalb der Temperaturgrenze von 750 °C oxidiert und verschleißt die Carbon-Scheibenbremse sehr schnell. Das Problem: Eine Formel-1-Bremse wird beim Verzögern aus Höchstgeschwindigkeit bis zu 1.200 °C heiß, dabei verbrennt die Reiboberfläche und nutzt sich extrem schnell ab. Deshalb kommt bei einem Formel-1-Rennwagen der Bremsenkühlung eine zentrale Bedeutung zu – die Kühlluftzufuhr muss penibel auf jede Witterung und jede Rennstrecke abgestimmt werden.

Es genügt jedoch nicht, möglichst große Kühlluftöffnungen für die Bremsen vorzusehen, um sie unter der Oxidationstemperatur zu halten. Denn je größer die Kühlluftöffnungen werden, desto mehr leidet die empfindliche Aerodynamik eines Formel-1-Boliden. Das mindert die Höchstgeschwindigkeit. Zugleich beschleunigt eine große Mengen Kühlluft mit hohem Sauerstoffgehalt den Oxidations- bzw. den Verschleißprozess der Bremsscheiben. Selbst ein Techniklaie erkennt deutlich: Es ist gerade die beschränkte Alltagstauglichkeit in Verbindung mit dem hohen Preis einer solchen Bremse, die der Verbreitung von Carbon-Bremsscheiben im Serienautomobil im Wege steht.

Um diese attraktive Technik trotzdem in irgendeiner Form für Serienautomobile nutzen zu können, mussten die Ingenieure einen Nebenweg einschlagen und die Carbon-Bremse für den normalen Straßenbetrieb grundlegend modifizieren. Das Ergebnis der Forschungen heißt „Carbon-Keramik-Bremse“ und ist seit dem Jahr 2001 in diversen Automobilen der Oberklasse, vor allem aber in hochpreisigen Sportwagen zu finden. Von den Vorteilen und Nachteilen der Carbon-Keramik-Bremse, von der komplizierten Fertigung, vom Preis und letztlich der Sinnhaftigkeit einer solchen Hochleistungsbremse in Serienfahrzeugen wird der nächste BLOG-Text handeln.

Quelle Bilder: Allianz

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Kommentar von Stahlfuxx |

Die Leistungsfähigkeit von Bremsscheiben aus Carbon wird durch einen überdurchschnittlich hohen Reibungskoeffizienten von 0,6 bewirkt. Als Resultat erreichen Formel-1-Fahrzeuge Bremsverzögerungen bis zu 5 g.

Diese Aussage bedarf m. E. einer näheren Erläuterung. Auch bei den besten Bremsen kann die Bremskraft nicht größer sein als die Haftkraft der Reifen auf der Straße. Diese ergibt sich als Produkt von Reibungskoeffizient Reifen/Straße und der Kraft, mit der das Fahrzeug auf die Straße gedrückt wird. Bei geringen Geschwindigkeiten ist dies die Gewichtskraft des Fahrzeugs, bei hohen Geschwindigkeiten kommt der aerodynamische Abtrieb dazu. Bei Rennwagen ist der Abtrieb größer als die Gewichtskraft der Fahrzeuge. Ein Formel 1 Rennwagen ist, etwas frei formuliert, ein umgedrehtes Flugzeug. Angesichts der durch die hohen Aufpresskräfte und der guten Reifenhaftung erreichbaren hohen Bremskräfte und der hohen Geschwindigkeiten wird beim Bremsen in kurzer Zeit sehr viel Energie in Form von Wärme frei. Diese muss von entsprechend leistungsfähigen und gleichzeitig leichten Bremsen uufgenommen und an die Kühlluft wieder abgegeben werden.

Kommentar von Señor Alcalde |

Herausragender Beitrag! So viele hochinteressante Fakten!
Ich habe gerade mit meinen Schülern diskutiert, wie heiß eigentlich
Bremsscheiben werden - man kann ja über die Bewegungsenergie
eine einfache Abschätzung machen. Da waren die Daten dieses
Beitrags äußerst hilfreich.
Herzlichen Dank!

Kommentar von Alfred S. |

danke. wieder was dazu gelernt!

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