Sicherheit Safety

Mit Rennfahrzeugen wird versucht möglichst schnell eine bestimmte Strecke zu durchfahren. Die Grenzen geben dabei in erster Linie die Motorleistung, die Haftung der Reifen und das Können des Fahrers vor. Das oft zitierte Fahren im Grenzbereich ist eine Gratwanderung, bei der die Grenzmarken nicht oder nicht immer sichtbar sind. Möglichst schnell fahren kann daher auch bedeuten die Grenzen zu überschreiten. Weil dies oft bei hoher Geschwindigkeit passiert, kommt dem Schutz des Fahrers eine hohe Bedeutung zu. In dem Zusammenhang gibt folgendes Zitat die Entwicklungsrichtung vor:

Speed does not kill, but a sudden lack of it does (Henry Labouchere).

Nicht die Geschwindigkeit ist tödlich, sondern deren plötzlicher Verlust.

1 Fahrzeugaufbau Vehicle Construction

Bei einem offenen Cockpit müssen zum Schutz des Fahrers besondere Maßnahmen ergriffen werden. Der Aufbau solcher Fahrzeuge soll an dieser Stelle beispielhaft für alle zweispurigen Fahrzeuge betrachtet werden, Abb. 3.1. Im Prinzip findet sich dieser Aufbau ja auch bei anderen Wettbewerbsfahrzeugen.

Der Fahrer wird so im Fahrzeug untergebracht, dass seine Füße hinter der Vorderachse liegen. Die Querspanten der Hauptstruktur werden von drei Schottwänden bzw. Überrollbügel gebildet. Der mittlere Überrollbügel muss mindestens die Höhe der Oberkante des Lenkradkranzes erreichen. Ein zweiter Überrollbügel schützt den Kopfbereich des Fahrers und ist hinter dem Fahrer angebracht. Seine Höhe ist so bemessen, dass eine gedachte Verbindungsgerade zwischen den höchsten Punkten der beiden Bügel so über dem Helm des Fahrers in Fahrstellung (Hände am Lenkrad) verläuft, dass noch ein Sicherheitsabstand (z. B. 80 mm nach FIA Anhang J Art. 258) bleibt. Der Gedanke hinter dieser Forderung ist die Vorstellung, dass der Wagen auf ebener Fahrbahn überrollt. Dann liegt das Fahrzeug auf diesen Stellen der Überrollbügel auf und der Fahrer benötigt einen Überlebensraum, auch wenn sich die Überrollstruktur deformiert.

Abb. 3.1

Fahrzeugaufbau Schema. 1 vordere Schutzzone front protection area, 2 vordere Schottwand front bulkhead, 3 mittlere Schottwand middle bulkhead, 4 Feuerlöscher fire extinguisher, 5 Seitenaufprallschutz side impact protection, 6 Flammschutzwand firewall, 7 Knautschzone für Kraftstofftank fuel tank deformable structures, 8 Überrollbügel vorne dash roll over hoop, 9 Überrollbügel hinten rear roll over hoop, 10 Fahrerschulterschutz driver’s shoulder protection area, 11 Heckaufprallelement rear crash element

Vor dem Fußhebelwerk angeordnet erstreckt sich ein stoßaufnehmender Bereich, der die Kräfte eines Frontalaufpralls in den Rahmen weiterleitet und selbst durch seine Deformation das Fahrzeug so verzögert, dass die Maximalwerte der Beschleunigung unter dem für den Menschen ertragbaren Limit bleiben. Bei Abnahmetests wird der Beschleunigungsverlauf über der Zeit erfasst. Die Beschleunigung darf dabei einen bestimmten Wert nur für wenige ms überschreiten. Ein Crashelement (Abb. 3.2 und 3.3 ) darf also nicht zu steif sein, damit es beim Aufprall einen gewissen Deformationsweg und damit eine Deformationszeit zulässt. Die kinetische Energie des Fahrzeugs wird bei einem Unfall in Verformungsenergie und Wärme umgewandelt.

Abb. 3.2

Beispiel einer vorderen Schutzzone an einem Monoposto (Formel BMW). Dieses Crash‐Element besteht aus CFK‐Laminat und ist an der vorderen Schottwand nur im Bereich der äußeren Spanten angeschraubt. Die Nasenverkleidung, die den Frontflügel trägt, wird darüber gestülpt

Abb. 3.3

Crashelement vorne an einem Produktionssportwagen. Das Crashelement besteht aus CFK‐Laminat und ist am vorderen Ende des Rahmens befestigt. Der Rahmen ist ein mit Aluminiumblech beplankter Stahlgitterrohrrahmen

Zum Schutz des Fahrers bei seitlichem Anprall werden seitliche Deformationselemente (Seitenaufprallschutz) vorgesehen.

Der Bereich des Kraftstofftanks und des Motors wird bei allen Fahrzeugen durch eine Flammschutzwand vom Fahrerbereich getrennt. Wird der Kraftstofftank im Fahrzeuginnenraum ohne Schottwand zum Fahrer hin eingebaut, muss der Tank in einem eigenen feuerfesten Sicherheitsbehälter untergebracht sein.

Weitere umschließende Behälter, z. B. aus GFK, sind vorgeschrieben, wenn die Batterie im Fahrzeuginnenraum untergebracht ist. Diese müssen elektrisch isolieren und mögliche aus der Batterie austretende Flüssigkeiten auffangen.

Das hintere Fahrzeugende weist ein Heckaufprallelement auf. Dieses wird am hinteren Ende des Getriebegehäuses oder am Rahmen befestigt, Abb. 3.4.

Abb. 3.4

Heckaufprallelement eines Monoposto (Dallara Formel 3). Das Element wird an das hintere Ende des Getriebegehäuses geschraubt. Das Element besteht aus CFK‐Laminat in Sandwichbauweise und ist topfförmig hohl. Es weist eine verhältnismäßig große Gesamtwandstärke von etwa 20 mm auf. Diese ist erforderlich damit das Element einen Heckaufprall trotz seiner geringen Länge ausreichend verzögern kann

Überlebenszelle Survival Cell.

In vielen Reglements wird mittlerweile ein Mindestbereich vorgeschrieben, der dem Fahrer bei einem Unfall das Überleben sichern soll. Beispielhaft zeigt Abb. 3.5 die Außen‐ und Innenabmessungen einer solchen Zelle. Sie wird für Einsitzer herangezogen und kann somit gut für die Gestaltung eines ein- oder zweisitzigen Fahrzeugs als Grundlage bei der Festlegung der Hauptabmessungen verwendet werden.

Abb. 3.5

Überlebenszelle für einen Formel-1-Wagen. a Innenbereich, b Außenbereich. Die Zelle muss min. 300 vor den Füßen (bzw. den Pedalen im unbetätigten Zustand) beginnen und den Kraftstofftank einschließen. Der Minimalbereich zwischen Fahrerrücken und Tank ist festgelegt. Ebenso sind Mindestabmessungen für die Einstiegsöffnung vorgeschrieben. Die Mindestabmessungen des Innenbereichs sind ab 100 mm hinter der Fußsohle festgesetzt (Schnitt X-X)

Solche Zellen werden auch bei zweisitzigen Fahrzeugen vorgesehen. Fahrer und Beifahrer sitzen dann in je einem eigenen „Monocoque“, dass nicht tragende Struktur des Fahrzeugs ist, sondern im Gegenteil wie ein Sitz im Fahrzeug verankert ist.

2 Schalter Switches

Der Feuerlöscher soll von außen, z. B. von einem Streckenposten, betätigt werden können. Der Griff für den Auslösezug bzw. der Schalter muss mit einem Symbol (siehe Abb. 3.6 und 3.8) gekennzeichnet sein.

Abb. 3.6

Symbol zur Kennzeichnung des Feuerlöscherauslösers. Diese Kennzeichnung muss mindestens 10 cm Durchmesser aufweisen. Die Schrift ist rot auf weißem Grund

Der Stromkreis muss von außen unterbrochen werden können. Dieser Hauptschalter (master switch) muss mit einem Symbol (siehe Abb. 3.7) gekennzeichnet sein. Er muss funkenfrei öffnen.

Abb. 3.7

Symbol zur Kennzeichnung des Hauptschalters für die Spannungsversorgung. Ein roter Blitz auf blauem Grund

Abb. 3.8

Sicherheitsschalter an einem Tourenwagen. Die beiden Betätigungen für Feuerlöscher und Stromunterbrechung können von außen erfolgen. Die Schalter sind daher auf der linken Seite der Fahrzeugfront vor der Windschutzscheibe angebracht. Die kennzeichnenden Symbole befinden sich auf der Motorhaube

Der Hauptschalter (Abb. 3.9) ist von außen zugänglich angebracht, damit ihn Streckenposten einfach erreichen können. Es ist auch ersichtlich wie der Schalter betätigt werden muss und wo die Aus‐Stellung ist.

Bei Rundstreckenrennfahrzeugen muss die Kraftstoffpumpe vom Fahrerplatz aus abgeschaltet werden können, z. B. mit einem Kippschalter.

Abb. 3.9

Anordnung des Hauptschalters. Bei diesem Hauptschalter ist vorbildlich die Betätigungsrichtung und die Aus‐Stellung bezeichnet

3 Schutzeinrichtungen Protecting Device

Überrollvorrichtung Rollover Structure.

Überrollkäfige (rollcage) als Hauptbestandteil einer Überrollvorrichtung sind wesentlicher Bestandteil der Schutzvorrichtungen für Produktionssportwagen, Tourenwagen, GT‐Fahrzeuge, Rallyefahrzeuge usw (Abb. 3.10). Die Hauptbestandteile, Abb. 3.11, sind in den FIA‐Vorschriften [3] festgeschrieben, die die Basis für viele nationale Vorschriften bilden. Überrollkäfige, die nicht diesen Bauvorschriften entsprechen, können ebenfalls eingesetzt werden, müssen jedoch einen statischen Belastungstest bestehen, Abschn. 3.4. Alternativ kann dieser Test durch eine FEM‐Analyse¹ eines akkreditierten Instituts ersetzt werden.

Abb. 3.10

Rennunfall. Das Fahrzeug hatte kurz zuvor in einem leichten Rechtsknick einen Reifenstapel touchiert, fuhr auf zwei Rädern weiter und überrollte schließlich nach links in den Straßengraben, wodurch es sich noch mehrmals überschlug. Der Fahrer blieb unverletzt und konnte selbst aussteigen

Abb. 3.11

Hauptelemente eines Überrollkäfigs, nach FIA Anhang J Art. 253 [3]. 1 Hauptbügel main rollbar, 2 vorderer Bügel front rollbar, 3 seitlicher Bügel lateral half‐rollbar, 4 Türstreben door cross‐struts, 5 Diagonalstreben diagonal members, 6 Dachdiagonale roof diagonal member, 7 hintere Abstützung backstay

Der Hauptbügel befindet sich hinter den Vordersitzen und überspannt in einem Stück die gesamte Fahrgastzelle. Der Biegeradius der Mittellinie muss mindestens das Dreifache des Rohrdurchmessers betragen. Daran angeschlossen bilden entweder zwei seitliche Bügel oder ein durchgehender vorderer Bügel die weitere Struktur. Diagonalstreben versteifen diese Struktur zusätzlich. Den Flankenschutz übernehmen Diagonalstreben in den Türöffnungen. In Fahrtrichtung wird der Hauptbügel von den hinteren Abstützungen gehalten. Die gesamte Überrollvorrichtung muss in der Seitenansicht zwischen den Punkten des Fahrwerks untergebracht sein, die die Radkräfte aufnehmen, also zwischen den Befestigungen von Aufbaufedern und Dämpfer. Zusätzliche Streben dürfen als Verstärkung eingearbeitet werden. Diese können auch demontierbar, etwa durch Verschraubung, befestigt sein.

Die prinzipiell erlaubten Möglichkeiten Überrollkäfige aus Bügeln aufzubauen zeigt Abb. 3.12. Diese Bügel müssen alle aus einem Stück ohne Verbindungen hergestellt sein. Sämtliche Rohre des Käfigs dürfen keine Flüssigkeiten leiten.

Abb. 3.12

Aufbaumöglichkeiten von Überrollkäfigen. a Hauptbügel (1) mit zwei seitlichen Halbbügeln (2), b Hauptbügel (1) und vorderer Bügel (3), c zwei seitliche Bügel (4) mit Verbindung hinter Vordersitzen

Der Überrollkäfig muss über Befestigungsfüße am Rahmen bzw. Fahrgestell befestigt sein. Jedes Bügelende und jede Abstützung muss einen Fuß aufweisen, d. h. jeder Käfig muss mit mindestens sechs Füßen versehen sein. Diese Füße müssen mit mindestens drei M8-Schrauben mit einer Qualität 8.8 am Rahmen über Verstärkungsplatten verschraubt sein, Abb. 3.13.

Abb. 3.13

Befestigung von Überrollkäfigen am Rahmen. 1 Bügel- bzw. Verstrebungsende, 2 Befestigungsfuß. Mindestens 3 mm dick und nicht dünner als das Rohr, an das die Platte angeschweißt ist, 3 Blech des Fahrgestells bzw. der Karosserie, 4 Verstärkungsplatte. Mindestens 3 mm dick und mindestens 120 cm${}^{2}$ Fläche. Bei den Füßen der hinteren Abstützung reichen 60 cm${}^{2}$. Diese Platte kann auch direkt mit dem Befestigungsfuß verbunden sein. In dem Fall muss sie allerdings mit der Karosserie verschweißt werden

Verbindungsstellen und Kreuzungen von Streben können verstärkt werden. Erlaubt sind kurze Streben oder Knotenbleche, Abb. 3.14. Die Mindestwandstärke dieser Verstärkungen muss über 1 mm liegen.

Abb. 3.14

Verstärkung einer Verbindung mit Knotenblech

Die Befestigung von lösbaren Streben an Bügel und Befestigungen zwischen seitlichen Halbbügeln und dem Hauptbügel dürfen nur von der FIA anerkannte Typen sein, Abb. 3.15.

Abb. 3.15

Auswahl von Verbindungen, die von der FIA anerkannt sind

Für Produktionssportwagen und Rallye‐Fahrzeuge muss das Erscheinungsbild des Überrollkäfigs in der Türöffnung ein bestimmtes Aussehen haben, Abb. 3.16.

Abb. 3.16

Türöffnung mit Überrollkäfig, vorgeschriebene Maße [3]. Teile des Überrollkäfigs müssen bestimmte Maße im Verhältnis zur Türöffnung einhalten

Im Cockpitbereich müssen die Teile der Überrollvorrichtung mit einer schwer entflammbaren Polsterung (FIA Standard 8857-2001 Typ A oder B, SFI‐Spezifikation 45.1) versehen sein, die Kontakt mit dem Fahrer bzw. Beifahrer haben könnten, Abb. 3.17. Bemerkenswert bei den zulässigen Polsterungen ist ihre – zumindest auf den ersten Blick – unerwartet hohe Härte. Sie wirken auch nur im Zusammenspiel mit einem Helm wunschgemäß energieabsorbierend. Eine vielleicht nahe liegende Polsterung mit einem weichen Schaumstoff ist für diesen Zweck gänzlich ungeeignet.

Abb. 3.17

Beispiel einer Schutzpolsterung rollcage padding. Abgebildet sind die Ansicht und der typische Querschnitt einer Verkleidung für Rohre mit 45 mm Durchmesser

Werkstoff.

Empfohlen werden nicht hochfeste Stähle, sondern im Gegenteil niedriglegierte, kohlenstoffarme Stähle. Diese sind besser schweißbar (C-Gehalt unter 0,3 Massen-%) und weisen vor allem ein großes Verformungsvermögen auf. Die große Dehnbarkeit ist beim eigentlichen Einsatz der Überrollvorrichtung, also bei einem (Mehrfach-)Überschlag, entscheidend für die lebensrettende Wirkung.

Tab. 3.1 Vorschriften für Rohre von Überrollvorrichtungen nach FIA Anhang J Art. 253

Überrollstrukturen Rollover Structure.

Bei zweisitzigen Produktionssportwagen mit offenem oder geschlossenem Cockpit werden von der FIA zwei Überrollstrukturen verlangt, Abb. 3.18. Die vorderen und hinteren Teile der Hauptstruktur müssen eine bestimmte horizontale Entfernung aufweisen und symmetrisch zur Fahrzeuglängsebene verlaufen. Der Helm des Fahrers in Fahrstellung muss einen Sicherheitsabstand zu einer gedachten Verbindung über die beiden Überrollelemente aufweisen. Zusätzlich muss sich hinter dem Fahrer eine zweite Überrollstruktur befinden, die bei Versagen der Hauptstruktur den Fahrer schützt. Sie muss von vorne gesehen den Helm überragen und über einen Mindestdurchmesser von 280 mm verfügen.

Abb. 3.18

Überrollstrukturen bei Produktionssportwagen, nach FIA Anhang J Art. 258A. Die Überrollstrukturen für offene und geschlossene Fahrzeuge sind zum Schutz des Fahrers vorgeschrieben. Vordere und hintere Struktur werden mit einer gedachten Linie verbunden. Der Fahrerhelm muss einen Sicherheitsabstand von dieser Linie aufweisen

Die hintere Überrollvorrichtung kann auch zum Bergen des Fahrzeugs nach einem Unfall herangezogen werden, Abb. 3.19. Dafür muss der Hersteller allerdings der Rennleitung seine schriftliche Einwilligung geben.

Abb. 3.19

Überrollbügel an einem Monoposto (Formel 3). Der Bügel ist hinter dem Fahrer angebracht. Der Motor erhält seine Luft über eine Airbox, die seitlich am Motor angebracht ist. Daher umfasst dieser Bügel nicht die Luftansaugung des Motors. Eine Lösung, die sonst an vielen Einsitzern angewandt wird

Abb. 3.20

Vordere Überrollstruktur an einem Monoposto (Dallara Formel 3). Oberhalb des Lenkwellenlagers befindet sich eine kleine nasenförmige Erhebung. Diese nimmt beim Überrollen des Fahrzeugs die vordere Kontaktkraft mit der Fahrbahn auf. Die gedachte Linie zwischen der Nase und dem hinteren Überrollbügel verläuft über dem Helm des Fahrers (vgl. Abb. 3.1)

Feuerlöscher Fire Extinguisher.

Bei Rallyefahrzeuge müssen sowohl eine eingebaute Löschanlage als auch ein Handfeuerlöscher mitgeführt werden. Für Rundstreckenrennen, Slaloms und Bergrennen genügt eines von beidem.

Die Anzahl und Größe der Feuerlöscher hängt von den einzelnen Reglements und vom Löschmittel ab. Als Füllung kommen nur bestimmte Löschmittel in Frage, nämlich AFFF, FX G-TEC, Viro 3 und Pulver.

In der Formel 1 werden nach FIA Bestimmungen zwei Löscher mit 2,5 und 5 kg Füllung mitgeführt [4]. In den meisten Fällen wird jedoch ein 2,25 l Löscher den Bestimmungen genügen [5].

Alle Löschsysteme müssen sowohl vom Fahrerplatz (Abb. 3.21) als auch von außen betätigbar sein. Die Betätigung von außen muss in der Nähe des Hauptschalters sein. Zur Kennzeichnung der Auslöseschalter siehe Abschn. 3.2. Bei zweisitzigen Fahrzeugen müssen auch Beifahrer leicht den Feuerlöscher erreichen können.

Elektrisch betätigte Löscher mit einer eigenen Batterie und einer separaten Verkabelung werden bevorzugt. Es gibt daneben auch über Seilzug ausgelöste Systeme.

Abb. 3.21

Schalter für elektrisch ausgelöstes Feuerlöschsystem. Der Schalter befindet sich in einem Produktionssportwagen an der seitlichen Cockpitwand

Die Löscheinrichtungen müssen Feuer im Motorraum und Fahrgastraum bekämpfen können bzw. es können auch zwei getrennte Löschsysteme installiert werden.

Der Feuerlöscher selbst muss so im Fahrzeug befestigt sein, dass er den Beschleunigungskräften eines Rennlaufes standhält. Konkret verlangt die FIA, dass die Behälterbefestigungen einer Verzögerung von $25\,g$ standhalten müssen. Weiters müssen die Befestigungen aus Metall sein und mit einem Schnellentriegelungssystem versehen sein. Zwei Metallbänder sind so die Mindestanforderung.

Feuerlöscher müssen im Cockpit untergebracht werden. Bei Einsitzern sind sie meist unterhalb der Fahrerknie oder im Wagenbug angeordnet, bei zweisitzigen Sportprototypen am Platz des „Beifahrers“ (Abb. 3.22).

Abb. 3.22

Feuerlöscher im Cockpit eines Rennfahrzeugs. Dieser Feuerlöscher ist links neben dem Fahrersitz platziert, was bei einem zweisitzigen Sportprototyp möglich ist. Der Behälter ist mit zwei Metallbändern befestigt

Rettungsluftbehälter Life Bottle.

In vielen Rennfahrzeugen ist ein Rettungssystem eingebaut, dass den Fahrer im Notfall über eine feuerfeste Schlauchleitung zum Helm mit Atemluft versorgt. Der Luftbehälter kann den Fahrer ca. 30 s mit Luft versorgen.

Dieser Behälter wird bei Einsitzern meist unterhalb der Fahrerknie oder im Wagenbug angeordnet.

Sicherheitsgurte Safety Belts.

Sicherheitsgurte werden von den einzelnen Reglements vorgeschrieben. Durch die extremen Fahrzustände sind sie aber auch bei „Normalfahrt“ erforderlich. Genaueres zu Ausführung und Befestigung siehe Abschn. D.8 Rückhaltesysteme.

Lenkradschnellverschluss Steering Wheel Quick Release.

Ein leicht entfernbares Lenkrad erlaubt dem Fahrer eines Einsitzers das eng geschnittene Cockpit schnell zu verlassen. Aber auch bei Sportprototypen und anderen Fahrzeugen mit breiten Fahrgasträumen sind Schnellverschlüsse Pflicht. Der Schnellverschluss ist in der Lenkradnabe integriert. Diese ist in Abschn. J.3 Lenkwelle beschrieben.

Seitennetz (Fensternetz) Window Net.

Seitennetze werden bei Tourenwagen im Bereich neben dem Fahrer zur Wagenaußenseite hin im Kopf‐Schulterbereich eingesetzt, Abb. 3.23. Sie können so an der Fahrertür oder direkt am Überrollkäfig montiert werden. Die Türmontage hat zwar den Vorteil, dass der Fahrer leicht ein‐ und aussteigen kann, aber sobald die Tür offen steht, ist der Schutz nicht mehr gegeben [1]. Es gibt auch Seitennetzhalterungen, die mit einem Schnellverschlusssystem ausgerüstet sind und so ein Lösen auf Knopfdruck ermöglichen.

Abb. 3.23

Seitennetz bei einem Tourenwagen

Das Netz weist Abmessungen $\text{Breite}\times\text{H{\"o}he}$ von $400\times 405\,\mathrm{mm}$ (4-türiges Cockpit) oder $525\times 467\,\mathrm{mm}$ (2-türiges Fahrzeug) auf.

Rücklicht Red Light.

Ein rotes 15W-Rücklicht im Heckbereich des Fahrzeuges wird bei Schlechtwetter und in der Boxengasse vom Fahrer eingeschaltet, Abb. 3.24.

Abb. 3.24

Rücklicht an einem Monoposto (Ferrari F1). Das Rücklicht ist in der Symmetrieebene des Fahrzeugs oberhalb des Diffusoraustritts angebracht

Halteseile Tether Ropes.

Die Querlenker der Radaufhängung weisen an den Anlenkpunkten zum Fahrzeug Sollbruchstellen auf. Bei einer Kollision eines Rades mit einem Hindernis deformieren sich die Lenker und brechen weg. Damit die freigewordenen Lenkerenden nicht die Cockpitwand durchbrechen und die Fahrerbeine verletzen können, sind diese hinter der Sollbruchstelle mit einer Längsstrebe verbunden.

An Formel-1 und Formel-3-Fahrzeugen werden die Radträger zusätzlich mit Seilen am Rahmen befestigt, damit diese bei einem Unfall den Fahrer nicht treffen können, Abb. 3.25. Das Beispiel zeigt eine Vorderachse. Jeder Radträger wird mit zwei Halteseilen gesichert. Die Befestigung erfolgt über die Schraubbutzen für die Bremszange (3) und über eigene Haltebügel (1) chassisseitig. Die Seile werden dabei über Kreuz geführt, d. h. die Seile des linken Radträgers werden an der rechten Bugseite verschraubt. Die Seile werden den Querlenkern entlang geführt und unter Abdeckungen (2) gehalten.

Die Seile in der Formel 1 müssen min. 8 mm Durchmesser aufweisen und eine Mindestzugkraft von 50 kN ertragen.

Abb. 3.25

Halteseile für eine Vorderachse (Dallara F306). Das Bild zeigt eine Gesamtansicht und eine Detailvergrößerung. Es sind aus Gründen der Übersicht nicht alle Seile dargestellt

Schraubensicherung Screw Lock.

Bei vielen Rennklassen müssen Fahrwerksverschraubungen formschlüssig gesichert sein, z. B. durch Kronenmutter mit Splint (castellated nut and cotter pin) oder Drahtsicherung (safety wire).

Bei der Drahtsicherung werden Schraubenköpfe, die eine Querbohrung aufweisen müssen, miteinander oder mit einem anderen Bauteil so verbunden, dass sich die Schrauben nicht aufdrehen können, Abb. 3.26.

Abb. 3.26

Drahtsicherung von Schrauben. a Der Draht verbindet die beiden Schraubenköpfe so, dass ein Losdrehen der Schrauben (mit Rechtsgewinde) verhindert wird, b Sechskantschraube mit Bohrungen für Sicherungsdraht (1) und Splint (2)

Üblicher Draht für diesen Einsatz besteht aus Edelstahl mit einer Stärke von 0,8 mm. Es werden aber auch 0,5 und 1 mm herangezogen. Die Bohrung im Schraubenkopf hat einen Durchmesser b um 2 mm (bis M6-Gewinde ist b 1,2 mm, ab M8 ist b 1,8 mm).

Selbstsichernde Muttern mit einem Kunststoffeinsatz (elastic stop nut with nylon collar) sind nicht temperaturbeständig und können daher nicht in der Umgebung heißer Teile (Bremse, Abgasanlage, Motor, Wärmetauscher, …) verbaut werden. Die maximale Einsatztemperatur liegt bei 120 °C.

Sicherheitsklappen bei NASCAR‐Fahrzeugen Roof Flaps.

Eine wohl einzigartige Sicherheitseinrichtung findet sich an den nordamerikanischen Fahrzeugen des Stock Car Winston Cups. Die seriennahe Außenform der Fahrzeuge und die hohen Geschwindigkeiten führten in dieser Rennserie oftmals zu einem gefährlichen Phänomen. Wenn die Fahrzeuge einen Dreher hatten und dabei rückwärts oder annähernd rückwärts weiterrollten, entstand durch die nun „verkehrte“ Anströmung ein Auftrieb, der ab 260 km/h so stark sein konnte, dass der Wagen trotz seiner 1590 kg Masse von der Fahrbahn abhob. Die Abhilfemaßnahmen (s. Abb. 3.27) bestehen aus 12,5 mm hohen seitlichen Blechstreifen, die an beiden Seiten des Dachlaufes angebracht sind und erstens eine gewisse Stabilisierung bei Geradeausfahrt bringen und vor allem zweitens bei großer Schräganströmung die Strömung ablösen lassen. Zusätzlich sind im Dachbereich zwei $510\times 205\,\mathrm{mm}$ große Klappen so angeordnet, dass sie bei Anströmung von hinten oder schräg rechts (die Fahrzeuge fahren im Oval immer links herum) durch den Staudruck öffnen und als Luftbremse wirken. Eine Klappe ist dazu genau rechtwinklig zur Fahrtrichtung, die andere rechtwinklig zu 140° Fahrzeug‐Gierwinkel angebracht.

Abb. 3.27

Sicherheitsklappen an NASCAR‐Wagen. 1 Dachleisten, 2 Klappe entgegen Fahrtrichtung, 3 Klappe 140° gegen Fahrtrichtung. Die Klappen sind im geöffneten Zustand dargestellt. Bei Normalfahrt sind sie geschlossen und überragen die Dachkontur kaum

Abreißventile Breakaway Valves.

Abreißventile bei Leitungen zum und vom Tank verhindern ein Auslaufen von Kraftstoff, wenn diese Leitungen brechen.

Vertikale Luftleiteinrichtung Vertical Aerodynamic Device.

Seit 2011 wird für Fahrzeuge der Kategorie LM P1 und P2 (Le Mans Prototype) eine vertikale Luftleiteinrichtung über der Motorabdeckung als Teil des Sicherheitspakets vorgeschrieben. Eine solche Heckflosse (shark’s fin) stabilisiert das Fahrzeug bei hohen Geschwindigkeiten, wenn der Druckpunkt (Luftangriffsmittelpunkt) hinter dem Fahrzeugschwerpunkt liegt und so die Luft ein rückdrehendes Moment sicherstellt, falls der Schwimmwinkel zu groß wird, vgl. auch Abschn. E.7, Abb. 5.86. Abbildung 3.28 zeigt die Ausführung einer solchen Heckflosse bei einem LM-P1-Fahrzeug.

Abb. 3.28

Audi R18 TDI in Le Mans [Audi Motorsport 2011]. Der Siegerwagen des berühmten Langstreckenklassikers 2011 in Le Mans weist eine Heckflosse auf, die vom Lufteinlass über dem Cockpit bis zum Heckflügel reicht

Reifendruckkontrollsystem tyre pressure monitoring system (TPMS).

Bei einem solchen System werden Reifentemperatur und -druck radindividuell aus Sicherheitsgründen permanent überwacht. Abgesehen davon, dass ein falscher Reifendruck den Reifenlatsch negativ beeinflusst, erhöht sich bei zu geringem Reifendruck dessen Temperatur im Betrieb derart, dass ein Reifenplatzer die Folge sein kann, vgl. Abschn. G.2.3 Rollwiderstand. Der plötzliche Verlust von Seitenführung und Aufstandskraft lässt das Fahrzeug instabil werden. Der Wagen bricht aus, sitzt auf und bekommt – wenn ein Hinterreifen zerstört wird – Unterluft (Auftrieb!), was vor allem bei hohen Geschwindigkeiten zu schweren Unfällen führen kann. Einige Teams verbauen daher solche Systeme und überwachen den Zustand der Reifen im Training sowie im Rennen über Telemetrie. Wird ein Druckverlust festgestellt, wird das Fahrzeug unverzüglich in die Box geholt. In den USA sind Reifendruckkontrollsysteme für Pkw gesetzlich vorgeschrieben, die EU hat vor kurzem eine ähnliche Vorschrift für Neufahrzeuge in Kraft gebracht.

4 Prüfungen Tests

Die einzelnen Motorsportbehörden schreiben unterschiedliche Prüfungen von Baugruppen und Komponenten vor. Diese Tests sind für den Konstrukteur insofern interessant, dass sie Größenwerte für Belastungen und Verformungen liefern und diese Komponenten nur bei bestandener Prüfung freigegeben werden.

Überrollkäfige für Tourenwagen und ähnliche Fahrzeuge müssen für ihre Freigabe einen statischen Belastungstest ertragen [3], der aus zwei Teilprüfungen besteht. Der grundsätzliche Aufbau ist in Abb. 3.29 dargestellt. Der Hauptbügel wird mit einer vertikalen Kraft $F_{\text{Z}}$ und der vordere Bügel mit einer schräg wirkenden Kraft F belastet, die einem Mehrfachen des Eigengewichts inkl. zweier Personen zu 75 kg entsprechen:

$$\begin{aligned}F_{\mathrm{Z}}=7{,}5\cdot(m_{\mathrm{V}}+150)\cdot g\\ F=3{,}5\cdot(m_{\mathrm{V}}+150)\cdot g\end{aligned}$$

$F_{\mathrm{Z}},F$ :

Prüfkräfte lt. Abb. 3.29, N

$m_{\mathrm{V}}$ :

Eigengewicht des Fahrzeugs, kg

g :

Erdbeschleunigung. $g=9{,}81\,\mathrm{m/s^{2}}$

Dabei darf die gesamte Überrollvorrichtung keinen Bruch oder eine bestimmte plastische Verformung in Kraftrichtung aufweisen. Die Maximalwerte der plastischen Verformung sind für den Hauptbügel mit 50 mm und für den vorderen Bügel mit 100 mm festgelegt.

Abb. 3.29

FIA‐Belastungstest für Überrollkäfige. a Test des Hauptbügels, b Test des vorderen Bügels. Eingetragen sind die Winkel der Stempellängs‐ und -querachse zur Horizontalen

Nach FIA‐Standards werden beispielsweise folgende Prüfungen an Fahrzeugrumpf und -bug durchgeführt. Die hintere Überrollstruktur bei Sportprototypen und Monoposti wird mit einer räumlichen Kraft mit einem flachen Stempel von 200 mm Durchmesser statisch belastet. Die drei Kraftkomponenten entsprechen dabei $F_{\mathrm{X}}=1{,}5G$, $F_{\mathrm{Y}}=5{,}5G$ und $F_{\mathrm{Z}}=7{,}5G$, wobei G das Fahrzeuggewicht inkl. Fahrer mit 75 kg ist, Abb. 3.30. Dabei darf die Deformation in Kraftrichtung 50 mm nicht überschreiten und jegliches Versagen der tragenden Struktur darf in vertikaler Richtung höchstens 100 mm vom Scheitel des Überrollbügels gemessen betragen. Weitere Prüfungen von Chassis‐Teilen zeigen die Abbildungen 3.31 bis 3.32. Eine Auswertung eines Tests nach Abb. 3.32 ist in Abb. 3.34 zu sehen. Darüber hinaus werden auch vollständige Monocoques auf einem Schlitten gegen massive Barrieren gefahren, Abb. 3.33.

Abb. 3.30

Überrollbügel‐Prüfung. Der Bügel wird am Rahmen montiert in Vertikal- (Z), Längs- (X) und Querrichtung (Y) mit drei Kräften entsprechend 7,5-, 5,5- und 1,5-fachem Eigengewicht des Fahrzeugs inkl. Fahrer belastet

Abb. 3.31

Prüfung des Chassis. Der Fahrzeugrumpf wird unterschiedlichen Tests unterzogen mit Querkräften zwischen 10 und 20 kN

Abb. 3.32

Prüfung der Bugnase. Die Nasenbefestigung wird einer seitlichen Last von 20 kN ausgesetzt. Ein Frontalaufprallversuch mit Nase an Rumpf montiert wird mit 10 m/s durchgeführt

Abb. 3.33

Chassis eines Monoposto nach dem Crashversuch (Ferrari F1)

Diese Abnahme‐Prüfungen wurden erst nach einigen tragischen Unfällen eingeführt und erhöhen die passive Sicherheit der Fahrzeuge enorm. Sie schlagen sich auch in der Konstruktion eines Monocoque nieder. Hatte ein typisches Formel-1-Monocoque 1994 (also in der Zeit ohne Prüfungen) ca. 35 kg, so weist ein heutiges etwa 65 kg Masse auf.

Abb. 3.34

Auswertung eines Crashversuchs nach Anordnung wie in Abb. 3.32 [2]. Die Nase ist am Chassis montiert. Ein Schlagkörper wirkt frontal auf die Bugspitze ein. Masse des Schlagkörpers 560 kg, Aufschlaggeschwindigkeit 10,56 m/s, mittlere Beschleunigung $10{,}7g$, max. Beschleunigung $15{,}26g$, max. Verformung 448 mm

Das Lenkrad und seine Aufnahme werden ebenfalls einem Test unterzogen, Abb. 3.35 . Nach FIA Anhang J Art. 258A und 259 sieht solch ein Test grob wie folgt aus. Es wird eine 8-kg‐Halbkugel mit 165 mm Durchmesser auf die Lenkradmitte mit einer Geschwindigkeit von 7 m/s in Achsrichtung der Lenkwelle geschlagen. Der Höchstwert der Beschleunigung darf $80g$ nur für eine Zeitspanne von 3 ms überschreiten. Der Schnellverschluss des Lenkrads muss auch nach dem Test einwandfrei funktionieren.

Abb. 3.35

Aufprallversuch an einem Lenkrad eines Rennfahrzeugs (Formel Renault 2000) [2]. Das Schlaggewicht mit 8 kg wird mit 7 m/s auf das Lenkrad bewegt. Die Beschleunigung darf dabei $80g$ für höchstens 3 ms überschreiten. Im dargestellten Versuch beträgt diese Zeitspanne 1,12 ms. Die Lenkwelle weist zwei Beugegelenke in Z-Anordnung auf (vgl. Abb. 10.24). Dies ermöglicht das axiale Ausweichen des Lenkrades