Formel 1 2019: Neue Regeln bringen neue Technik-Trends

Die Formel 1 bekam über den Winter ein neues Reglement. Dadurch entstanden unterschiedliche Aerodynamik-Philosophien. Motorsport-Magazin.com stellt die Technik-Trends des Jahres 2019 vor.

Frontflügel

Der Frontflügel ist Fluch und Segen zugleich für die Formel 1. Er ist dafür zuständig, dass die Boliden so schnell sind. Er ist aber auch dafür verantwortlich, dass die Autos so sensibel auf unsaubere Anströmung reagieren. Der Frontflügel generiert nicht nur selbst Abtrieb, sondern bestimmt auch maßgeblich, welchen Weg die Luft dahinter geht. Und das ist der entscheidendere Punkt: Der Frontflügel ist maßgeblich dafür verantwortlich, wie effektiv die weitere Aerodynamik des Autos funktioniert. Frontflügel, Unterboden samt Diffusor und Heckflügel: Diese drei Elemente erzeugen den Großteil des Abtriebs eines Formel-1-Autos. Keines der Elemente funktioniert isoliert.

In der Saison 2019 trat ein Regelpaket in Kraft, wodurch die Überholproblematik entschärft werden sollte. Der Frontflügel ist dabei zweifach betroffen. Auf der einen Seite erzeugt er viel der sogenannten Dirty Air. Auf der anderen Seite ist er besonders anfällig für die verwirbelte Luft, weil er ganz vorne am Auto ist und mit all seiner Komplexität nur bei optimaler Anströmung optimal funktioniert. Es ist die Quadratur des Kreises: Die Dirty Air, die ein Formel-1-Bolide erzeugt, ist eigentlich nur ein Nebeneffekt. Man will die Luft hinter sich nicht absichtlich verwirbeln. Aber die Aerodynamik funktioniert so: Je besser die Ingenieure die unsaubere Strömung des Vorderreifens vom eigenen Auto fernhalten können, desto mehr Abtrieb kann das Fahrzeug generieren. Die unsaubere Luft trifft dann hinter dem eigenen Auto auf den Hinterherfahrenden.

So viel Theorie vorneweg, um die Änderungen am Reglement besser verstehen zu können. 2019 wurden die Frontflügel deutlich einfacher. Bislang waren nur die Abmaße geregelt. Dazu gab es die neutrale Y250-Sektion. 250 Millimeter von der Fahrzeugmittelachse nach außen (Y-Richtung) sind die Frontflügel schon seit geraumer Zeit standardisiert. In diesem Jahr gehen die Regeln aber deutlich weiter. Der Flügel darf nur mehr aus fünf einzelnen Hauptelementen bestehen. Dazu sind die Endplatten in Winkel und Form stark eingeschränkt. Auch die Strömungsrichter unter den Flügel-Elementen wurden auf zwei Exemplare pro Seite beschränkt. Dadurch schlägt man gleich zwei Fliegen mit einer Klappe: Den Ingenieuren fehlt die Komplexität, die Verwirbelungen der Vorderreifen zu kontrollieren. Dazu wurden auch die durchblasenen Radnaben und die Aero-Elemente an der Vorderachse verboten. Gleichzeitig sind die Frontflügel selbst nicht mehr so anfällig für Dirty Air.

Um nicht zu viel Performance zu verlieren, wurden die Abmaße geändert. Durch einfachere Frontflügel verlieren die Autos Abtrieb. Vor allem übrigens an der Hinterachse: Denn die Komplexität wurde eben nicht nur dazu genutzt, direkt Abtrieb zu generieren, sondern den Luftstrom nach hinten zu korrigieren. Deshalb wuchs der Frontflügel nicht nur von 1,80 Meter auf 2,00 Meter Breite an, sondern auch noch der Heckflügel. Wie der Frontflügel wurde dieser aber nicht nur in der Breite, sondern auch in Höhe und Tiefe vergrößert. Weil gleichzeitig auch noch die Bargeboards andere Dimensionen einnehmen, kann man sich vorstellen, dass beim aerodynamischen Konzept einiges auf den Kopf gestellt wurde. Während die Regeländerungen optisch vergleichsweise gering scheinen, bekamen die Aerodynamiker eine gänzlich neue Aufgabe.

Und an diese Aufgabe gingen die zehn Teams teils sehr unterschiedlich heran. "Ich habe mich gewundert, dass die Frontflügel-Konzepte zwischen den Teams so weit auseinandergehen", gesteht Motorsport-Magazin.com-Technik-Experte Jörg Zander. Prinzipiell gibt es zwei Lager: Auf der einen Seite gibt es die eher herkömmlichen Frontflügel. Die fünf Flaps wachsen vom Rand der Y250-Sektion zur Endplatte hin. Beim anderen Lager wachsen die Flaps zunächst neben der Y250-Sektion, senken sich dann aber zur Endplatte hin wieder ab.

Teilweise gibt es radikale Ausprägungen dieser Philosophien. Auf der einen Seite Alfa. Bei den Eidgenossen sind die fünf Flaps in zwei Zonen geteilt. Neben der neutralen Sektion wachsen die Flaps steil nach oben. Der Verstellmechanismus - einer der wenigen noch erlaubten Aufbauten - bildet dann allerdings eine Trennlinie. Zwischen dem Verstellmechanismus und der Endplatte liegen die Flaps extrem flach, fast waagerecht. "Ich finde es sehr erfreulich, dass die Mannschaft mit dieser Innovation und riskanterer Herangehensweise aufwartet", so Zander über sein ehemaliges Team. Ferrari beispielsweise hat eine ähnliche Philosophie gewählt, wenn auch bei weitem nicht so aggressiv. Bei der Scuderia wachsen und schrumpfen die Flaps kontinuierlich. Alles wirkt wie aus einem Guss.

"Das Ziel mit den zu den Endplatten abfallenden Flaps ist klar", erklärt Zander. "Man will die auf den Abtrieb negativ auswirkenden Luftverwirbelungen des Vorderreifens möglichst gut in den Griff bekommen, indem man diese mit erzeugten Luftwirbeln, sogenannten Vortexes, vom Fahrzeug nach außen wegzieht. Das nennt man Outwash. Diese Vortexes werden an der Endplatte zum einen an der Oberkante und zum anderen in einem Kanal an der Unterseite der Fußplatte erzeugt. Um den Endplatten-Oberkanten-Wirbel effizienter zu gestalten, hat man die Frontflügel-Flaps nach außen hin abgesenkt, um Interaktionen der Abströmung der Flaps mit dem Vortex zu reduzieren, beziehungsweise zu vermeiden."

Zander weiter: "Hinzu kann man sich vorstellen, dass sich durch den Freiraum, der sich durch die abgesenkten Flaps ergibt, die vorderseitig angeströmte Luft besser um das störende Hindernis Reifen leiten lässt." Man kann sich bildlich vorstellen, dass der Effekt bei eingeschlagenen Rädern an der Außenseite noch vergrößert wird. Genauso kann man sich aber auch vorstellen, dass der Frontflügel an sich weniger Abtrieb erzeugt, weil die Flügel-Oberfläche dadurch kleiner wird, die Flaps nicht so steil in der Luft stehen. "Insgesamt erzeugt dieses Frontflügel-Prinzip im Vergleich zu einem konventionellen System vielleicht nicht so viel Abtrieb, aber es bietet Vorteile hinsichtlich der Strömung im weiteren Verlauf des Fahrzeugs, ausgehend von der Unterboden-Vorderkante bis hin zum Diffusor im Heckbereich", erklärt Zander. "Ich kann mir auch vorstellen, dass damit das Fahrzeug weniger sensibel auf die Abströmung vorausfahrender Fahrzeuge reagiert."

Mercedes und Red Bull zählen zu den aggressivsten Vertretern auf der anderen Seite. Sie haben sich für eine eher konventionelle Philosophie entschieden: Große und steil stehende Frontflügelflaps über die gesamte Flügelspannweite. "Mit stufenförmigen Endplatten-Oberkanten, den Flap-Haltern und Einstell-Mechanismen, explizit geformten Sensor-Gehäusen können sie aber ebenfalls den Tyre-Wake kontrollieren", erklärt Zander.

Vorderachse

Der Frontflügel ist beileibe nicht das einzige Instrument, mit dem die Aerodynamiker die störende Luft der Vorderreifen kontrollieren. Die Bargeboards, also die Leitbleche hinter der Vorderachse, sind seit 2017 die Spielwiese der Luft-Ingenieure. Die Regeln geben ihnen hier Freiräume, obwohl die Größe der Bargeboards 2019 etwas eingeschränkt wurde. Sie dürfen in dieser Saison 100 Millimeter weiter vorne beginnen, dafür wurden sie in der Höhe um 150 Millimeter kastriert. Wie alles an der Aerodynamik funktionieren auch die Bargeboards nicht isoliert. Sie müssen richtig angeströmt werden und beeinflussen anschließend den weiteren Luftfluss ganz erheblich.

Für die richtige Anströmung ist nicht nur der Frontflügel verantwortlich, sondern auch die Vorderachse. Welchen Einfluss auf die Aerodynamik die Vorderachse hatte, konnte man in den vergangenen Jahren gut sehen. Die Teams nutzten die Verkleidung des Radträgers und die Bremsbelüfung dazu, die Verwirbelungen der Vorderreifen zu kontrollieren. Dazu gab es noch die durchblasene Radnabe. All diese Gimmicks sind 2019 verboten. Aber auch die Streben zwischen Radträger und Chassis haben einen großen Einfluss. Einige Teams setzten vor wenigen Jahren aus aerodynamischen Gründen auf Zug- statt Druckstreben. Den Fahrwerks-Ingenieuren bereitete das Kopfschmerzen, doch die Aerodynamiker hatten lieber eine fast waagrechten Strebe. So weit geht heute kein Team mehr, doch der Kampf tobt an anderer Stelle.

"Man versucht, die beiden Querlenkerebenen nach oben zu verlagern und ab Radmitte einen entsprechenden Freiraum zu schaffen, damit die Strömung nach dem Frontflügel dort einen entsprechenden Spielraum hat", erklärt Zander. "Alles, was sich von den Flaps entsprechend ablöst, soll nicht gleich auf den nächsten Widerstand von Querlenker oder Lenkstange treffen. Man will stattdessen hier eine saubere Abströmung erzielen."

Alle Teams setzen in der Formel 1 seit Jahrzehnten auf Doppelquerlenker. Dabei gibt es eine obere und eine untere Ebene von Dreieckslenkern. Eine Seite der Dreieckslenker greift am Radträger an, die anderen beiden am Chassis. So werden die Querkräfte vom Rad in das Chassis geleitet. Es ist ein Kampf zwischen Fahrwerksingenieuren und Aerodynamikern. Was für die Fahrwerkskinematik am besten ist, ist für die Aerodynamik oft nicht perfekt.

Damit die Abströmung des Frontflügels möglichst gut ist und die Bargeboards sauber angeströmt werden, sollen die Querlenker am besten ganz aus dem Weg geräumt werden. Das geht natürlich nicht, aber die Fahrwerkspunkte wandern immer weiter nach oben. Das Problem ist vor allem der untere Querlenker, der ungünstig im Wind steht. Sobald der untere Querlenker nach oben wandert, werden die Kräfte auf den oberen Querlenker größer. Deshalb muss der obere Querlenker ebenfalls nach oben wandern - allerdings gibt es Grenzen dafür. Die Ingenieure tun alles dafür, die Grenzen so weit wie möglich zu verschieben. Vor drei Jahren verschoben die Mercedes-Ingenieure die obere Querlenkerebene so weit nach oben, dass der Anlenkpunkt am Radträger außerhalb der Felge lag. Deshalb musste der Radträger mit einem kleinen Hebel nach oben verlängert werden.

"Die Kinematik wird damit ein Stück weit dafür kompromittiert", erklärt Zander. "Ich denke, das ist in diesem Bereich noch zulässig, denn es hat einen Einfluss auf die Lenkachse. Obere und untere Anlenkpunkte müssen entsprechend angepasst werden. Dadurch ergeben sich andere kinematische Hebelarme wie Nachlaufstrecke oder Lenkrollhalbmesser. Man muss darauf achten, dass sich das nur innerhalb von Grenzen verschiebt, weil es andernfalls auf die Reifenfunktionalität große Auswirkungen hat. Wie bewegt sich der Reifen bei Lenkvorgaben oder wie bewegt sich der Reifen auch bei Ein- und Ausfedern?" Derlei Faktoren können dafür entscheidend sein, ob die Reifen perfekt zum Arbeiten gebracht werden oder nicht. Die Gesamtfahrzeugperformance hängt maßgeblich von der Reifenperformance ab. "An der Vorderachse ist es aber nicht so schlimm, weil wir dort nicht so viel Ein- und Ausfederweg haben", relativiert Zander.

Doch damit ist es nicht getan. "Man muss das Strukturelle an dieser Stelle beachten", mahnt Zander. "Das ist eine Monsteraufgabe! Da der Punkt nach oben verlagert wird, müssen hier auch die entsprechenden Seitenkräfte eingebracht werden. Dort, wo normalerweise keine Struktur ist, muss man die Struktur eben anordnen. Letztendlich verlangt diese Bauweise mehr Gewicht. Tatsächlich unterscheidet sich das auch deutlich." Mercedes machte damals den Anfang, Toro Rosso zog ein Jahr später nach, 2018 auch Sauber. Zander, damals Technischer Direktor in Hinwil, erinnert sich: "Es hat eine ganze Weile gedauert, bis wir dieses Thema seitens Funktionalität in Hinblick auf Lenk- und Einfeder-Kinematik, aber auch von der strukturellen Seite angepasst hatten, damit es nicht zu schwer wird. Das ist ein Thema für sich."

2019 ging der Trend weiter. Inzwischen fährt fast die Hälfte des Feldes mit verlängertem Radträger. Mercedes, McLaren, Alfa und Williams wenden diesen Trick allesamt an. Toro Rosso musste dieses Jahr zurückrüsten: Der Rennstall aus Faenza nutzt wieder vermehrt Synergieeffekt mit dem Schwesterteam. Red Bull Technology liefert eine leicht abgeänderte 2018er Vorderachse an Toro Rosso, die dem 2019er Reglement entspricht. Die Leitbleche rund um den Radträger wurden über den Winter verboten. Doch auch an dieser Vorderachse fällt auf: Die Querlenker liegen extrem hoch. Bei der 2018er Red-Bull-Aufhängung gibt es einen anderen Trick. Die vordere obere Strebe ist nah am Chassis leicht abgeknickt.

Seitenkasten

Seitenkästen erfüllen in erster Linie keine aerodynamische Funktion. Die Ingenieure brauchen sie aber, um ihre Kühler unterzubringen und ihnen ausreichend Frischluft zuzuführen. Für die Aerodynamiker sind sie hingegen ein Albtraum. Deshalb ist es - wie beim Fahrwerk bereits erwähnt - ein ewiger Kompromiss aus Kühlung und Aerodynamik. Weil die Formel 1 heute so hochspezialisiert ist, gibt es deshalb auch spezielle Kühl-Pakete für unterschiedliche Strecken. Malaysia war lange Zeit das schwierigste Rennen, weil die Umgebungstemperaturen extrem waren. Aber auch Strecken mit moderaten Temperaturen können komplex werden: In Monaco beispielsweise ist die Kühlung schwierig, weil die Autos viel im Verkehr fahren und dazu recht langsam unterwegs sind. Der Luftdurchsatz ist entsprechend gering. In Silverstone hingegen sind die Autos mit hoher Geschwindigkeit unterwegs, tropisches Klima ist nicht zu erwarten. Zwischen Kühlung und Aerodynamik gilt es immer den besten Kompromiss zu finden.

Bei den Seitenkasteneinlässen müssen sich die Ingenieure schon zu Saisonbeginn entscheiden. Denn Kühleranordnung und Co. können nicht ohne weiteres geändert werden. Dazu kommt ein weiterer Faktor: Die Crash-Elemente. Aus Sicherheitsgründen schreibt das Reglement an beiden Seiten des Monocoques jeweils zwei Aufprallstrukturen vor. Die sind in ihrer Form sehr genau beschrieben. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um relativ lange Zylinder, die seitlich aus dem Chassis herauswachsen. Ein Crash-Element muss oben, das andere unten angebracht werden. Es soll bei einem seitlichen Aufprall Energie abbauen. Die Seitenwand des Monocoques ist dafür zu dünn. Vor allem bei sogenannten T-Bone-Unfällen, bei denen ein Auto ein anderes im 90-Grad-Winkel erwischt, sollen die Crash-Elemente den Fahrer schützen.

Die Zylinder müssen komplett vom Bodywork umschlossen sein, deshalb bekommt man die Teile nur selten zu sehen. Für die Ingenieure ist das eine zusätzliche Aufgabenstellung bei der Kühlung. Denn die Crash-Elemente befinden im Bereich der Seitenkastenöffnungen. Die untere Crash-Struktur wird dabei von der Vorderkante des Unterbodens verkleidet. Das obere Element bereitet hingegen mehr Probleme. Es muss in den Seitenkasten integriert werden. Während die Teams den Zylinder früher als Oberkante des Seitenkasteneinlasses hernahmen, hat Ferrari vor zwei Jahren einen neuen Trend losgetreten: Die Italiener versetzten das obere Aufprall-Element nach unten, nutzten es als Unterkante des Seitenkasteneinlasses. Der Hintergrund ist klar: Die Aerodynamiker haben damit unterhalb des Crash-Elements mehr Freiheiten und können den Seitenkasten darunter extrem einziehen. Dadurch können sie die Luft auf der Oberseite des Unterbodens besser leiten und den Diffusor besser zum Arbeiten bringen.

2018 zogen die ersten Teams bei der Philosophie nach und versetzten das Crash-Element ebenfalls nach unten. 2019 gibt es nur noch ein Team, das auf die eher konventionelle Lösung setzt: Mercedes. Denn der stark unterschnittene Seitenkasten wird auf der anderen Seite teuer erkauft. Denn die Crash-Elemente müssen nicht nur einfach angebracht werden, sondern müssen auch gewissen Kräften standhalten. Entsprechend stark muss das Monocoque auch an diesen Stellen sein. Je weiter an den Rändern die Crash-Strukturen sind, desto besser. Dort ist ohnehin viel Material vorhanden, das Monocoque geht um die Ecke. Wenn die Struktur allerdings nach unten wandert, drückt sie auf eine Fläche. "Wenn man sie an eine Fläche definiert, erhält man dort nicht die geforderte Steifigkeit", erklärt Zander. "Das kann man dann nur mit zusätzlicher Masse kompensieren." Heißt: Je weiter der Zylinder nach unten wandert, umso mehr Kopfschmerzen bedeutet das für die Chassis-Ingenieure auf struktureller Seite. Das Gewicht steigt. Gleichzeitig gilt: Je höher das Crash-Element ist, desto mehr Freiheiten haben die Aerodynamiker darunter und desto weniger Platz bleib für die Kühleinlässe darüber.

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