Mercedes-Bremse: Heisser Tanz bei mehr als 1000 Grad

Die Bremsen genießen bei allen Formel 1-Teams höchste Priorität. Wenn die Bremsen nicht optimal funktionieren oder ein Fahrer sie falsch einsetzt, kann sich das als äußerst kostspielig erweisen – sowohl mit Blick auf die Rundenzeit als auch die Position. Auf der anderen Seite kann ein Fahrer seine Leistungsfähigkeit erheblich steigern, wenn man das Maximum aus dem Bremspotenzial des Autos herausholt und die Einstellungen der Bremsen auf bestimmte Kurvencharakteristiken maßgetreu zuschneidet. Deshalb einmal ein Blick darauf, wie die Bremsen an einem Formel-1-Auto funktionieren und was der Fahrer braucht, um das Auto am effizientesten abzubremsen.

Das Anbremsen ist die erste Phase in der Kurvenfahrt eines Fahrzeugs. Wenn das Auto nicht am richtigen Punkt mit dem richtigen Druck auf das Pedal abgebremst wird, hat das Einfluss auf den Rest der Kurvenfahrt – sprich: das Treffen des Scheitelpunkts und der richtigen Linie, das Mitnehmen der optimalen Geschwindigkeit durch die Kurve, das Beschleunigen am Kurvenausgang und eine saubere Fahrt bis zur nächsten Kurve. Das kann einen entscheidenden Einfluss auf die Rundenzeit des Fahrers haben.

Ähnlich wie bei einem Straßenfahrzeug arbeiten die Bremsen eines Formel-1-Autos an allen vier Rädern. Und so funktioniert das System: Wenn der Fahrer auf das Bremspedal tritt, werden die beiden Hauptbremszylinder (einer für die Vorderräder und einer für die Hinterräder) zusammengepresst, um Flüssigkeitsdruck zu erzeugen. An der Vorderachse ist das System recht unkompliziert. Der Flüssigkeitsdruck wird direkt an die vorderen Bremssättel weitergegeben. In jedem Bremssattel spannen sechs Kolben Bremsbeläge gegen die Scheibe. Durch diese Reibung wird das Auto abgebremst. An der Hinterachse sieht die Sache hingegen etwas komplizierter aus.

Die Räder an der Hinterachse können auf drei verschiedene Wege verzögert werden: durch Reibung an den Bremsen, durch Widerstand vom drehenden Motor – die so genannte Motorbremse – und durch elektrisches Bremsen, das durch das Sammeln von Energie mit dem Hybrid-Elektromotor (MGU-K, motor generator unit) erfolgt. Der Fahrer kann jeden dieser Effekte unabhängig voneinander über sein Lenkrad einstellen.

So wichtig ist die Elektronik

Wenn er auf das Bremspedal tritt, agieren die drei Systeme dank eines Brake by Wire-Systems (BBW) als Einheit, um dem Fahrer die gewünschte Gesamtverzögerung zu liefern. Wenn der Fahrer das Pedal betätigt, erzeugt er Flüssigkeitsdruck im hinteren Bremskreis, der von einem elektronischen Drucksensor aufgenommen wird. Das Sensorsignal stellt den Gesamtbremsanspruch des Fahrers an die Hinterachse dar und wird an die elektronische Kontrolleinheit (ECU, electronic control unit) weitergegeben, wo es in eine Reihe an Signalen zum Abbremsen des Fahrzeughecks umgewandelt wird. Je stärker der Fahrer auf das Pedal drückt, desto stärker ist das Signal. Je stärker das Signal ausfällt, desto aggressivere Anforderungen versendet die ECU an die drei Hecksysteme (Bremssättel, Motorbremse, MGU-K), um dadurch die gewünschte Verzögerung zu erreichen. Die ECU verteilt dies gemäß den Fahrzeugeinstellungen des Teams auf diese drei Systeme, die jedoch durch die Einstellungen des Fahrers am Lenkrad angepasst werden können.

Auf den ersten Blick sieht das System an der Hinterachse sehr viel komplexer aus als das an der Vorderachse. Warum sollte ein Team wie Weltmeister Mercedes einen hydraulischen Hauptbremszylinder nutzen, um Druck zu erzeugen, der dann von einem Drucksensor aufgenommen wird, nur um ein elektronisches Signal an die ECU zu senden? Warum nicht einfacher, indem die Position des Bremspedals gemessen und dadurch direkt das elektronische Signal erhalten wird? Warum ein Bremssystem an der Hinterachse, das zwischen drei separaten Systemen vermittelt, wenn es doch ganz einfach konventionelle Bremsen wie an einem normalen Auto gäbe?

Die Antwort auf diese drei Fragen fällt in zwei Bereiche: Sicherheit und Leistungsfähigkeit. Sobald man sich für ein System mit Brake By Wire entschieden hat, um seine Hinterradbremsen zu kontrollieren, muss man sicherstellen, dass es eine sichere Backup-Lösung für den Fall gibt, das das System versagt. Aus diesem Grund der Aufwand, mit dem Pedal einen hydraulischen Druck in der Bremsleitung zu erzeugen. Wenn das BBW-System jemals ausfallen sollte (und es gibt einen Satz Sensoren sowie eine Computerroutine, die dessen Integrität kontinuierlich überprüft), dann wird es sofort übergangen und der erzeugte Druck vom Fuß des Fahrers wird wie bei einem normalen Fahrzeug direkt an die Bremssättel weitergegeben. Die interessantere Frage dabei lautet: Was kann ein Brake By Wire-System bieten, das diese Komplexität rechtfertigt?

So wichtig ist der Fahrer

Wer einem Fahrer zuhört, der über das Auto spricht, wird dabei folgenden Begriff besonders häufig zu hören bekommen: Bremsstabilität. Die Fahrer wünschen sich Bremsen, die gut greifen (mit einer starken ersten Verzögerung, wenn sie auf das Pedal steigen), sie möchten eine starke Verzögerung ohne «Fading» (mehr dazu später), sie möchten ein gutes Gefühl erhalten, um die Bremse modulieren zu können (eine Art vorhersehbare Reaktion, stärker bremsen = stärker verzögern, weniger bremsen = weniger verzögern), aber allen voran möchten sie eine gute Bremsstabilität. Anders als bei den ersten drei Punkten ist es bei der Bremsstabilität viel schwieriger zu verstehen, was der Fahrer eigentlich damit meint.

Wenn wir in einem Straßenauto bremsen, fahren wir meistens geradeaus. Zudem gehen wir dabei selten weit genug ans Limit, um das Antiblockiersystem zu aktivieren. Rennfahrer fahren ganz anders. Jedes Mal, wenn sie auf die Bremse treten, möchten sie das Auto so schnell wie möglich abbremsen. Dadurch betätigen sie die Bremsen bis an den Punkt, an dem die Räder blockieren – in jeder Kurve, auf jeder Runde. Außerdem betätigen sie die Bremsen nicht nur, wenn das Auto geradeaus fährt. Sie betätigen sie am Ende der Geraden, während sie Einlenken und sie gehen erst von der Bremse, wenn sie den Scheitelpunkt der Kurve erreicht haben, also einen Augenblick bevor sie am Kurvenausgang wieder beschleunigen. Während dieser gesamten Zeit sind die Bremsen zur Kontrolle der Richtung, in die das Fahrzeug fährt, beinahe so wichtig wie das Lenkrad.

Wenn für den Fahrer alles gut läuft, ist das Auto während dieses Manövers mit allen vier Rädern genau am Limit, bevor es anfängt zu rutschen, aber ohne von der Ideallinie abzuweichen, die der Fahrer durch die Kurve fahren möchte. Wenn es weniger gut läuft, fängt das Auto an, etwas mehr über die Vorder- als die Hinterreifen zu schieben. Dadurch erhält der Fahrer Untersteuern, und das Auto lenkt nicht oder unwillig ein. Wenn es noch schlechter läuft, rutschen die Hinterreifen mehr als die Vorderreifen. Sollte das zu stark der Fall sein, dreht sich das Auto.

Aus diesem Grund ist es für den Fahrer enorm wichtig, zu wissen, wie viel die Vorderräder im Vergleich zu den Hinterrädern bremsen. Wenn das Auto instabil ist und sich am Kurveneingang drehen möchte, muss man den Hinterradbremsen möglicherweise weniger abverlangen und mehr auf die Vorderachse gehen. Wenn das Auto untersteuert, möchte man das genaue Gegenteil machen.

Gleichzeitig wünscht sich der Fahrer während der Kurvenfahrt vom ersten Anbremsen über das Einlenken bis zum Scheitelpunkt unterschiedliche Dinge. Wenn der Fahrer anfängt einzulenken, kann das Auto oftmals eine natürliche Tendenz zum Übersteuern aufweisen, die bis zum Scheitelpunkt immer mehr durch Untersteuern ersetzt wird. Diese Tendenz kann man zum Teil durch ein cleveres Bremssystem ausgleichen, das den Hinterradbremsen beim Einlenken weniger abverlangt (um das Auto zu stabilisieren) und ihnen dann in Richtung Scheitelpunkt mehr abverlangt (im Vergleich zu den Vorderradbremsen). Dieser clevere Prozess nennt sich Bremsmigration - ein dynamischer Wechsel der Bremsbalance als Funktion des Bremsdrucks.

Dieser clevere Trick wird vom Brake-By-Wire-System zur Verfügung gestellt. Je nach den Einstellungen des Drehschalters am Lenkrad managt das BBW-System den Input der drei Hauptaspekte (Bremssättel, Motor und MGU-K), um dem Fahrer ein rundes und vorhersehbares Bremsverhalten am Heck zu liefern, mit dem er das Auto ohne ein Antiblockiersystem am Haftungslimit bewegen kann, während er das Auto durch die Bremsphase der Kurvenfahrt manövriert.

100 Kilogramm Bremskraft

Die Fahrer müssen jedes Mal richtig auf die Bremse steigen und dabei beinahe im Fahrzeug aufstehen. In einem Straßenfahrzeug vervielfachen Bremssysteme mit Servounterstützung den Druck, der auf den Hauptbremszylinder ausgeübt wird. In der Formel 1 schreibt das Reglement jedoch vor, dass die Bremskraft allein vom Fahrer ausgeübt werden darf. Dafür benötigen die Fahrer sehr starke Beine, allerdings erhalten sie ein wenig Hilfe von der Kraft des Bremsmanövers selbst. Das Auto verzögert bei ungefähr 5g (zum Vergleich: bei einer Notbremsung in einem Straßenfahrzeug erreichen wir 1g). Bei dieser Verzögerung wiegen die Beine des Fahrers rund 100 kg und das Gewicht des Beins auf dem Bremspedal liefert eine eigene Art der Servounterstützung, um ihnen beim Bremsen zu helfen. Je stärker sie das Pedal drücken, desto stärker bremst das Fahrzeug ab. Je mehr das Auto abbremst, desto mehr wiegt ihr Bein, was ihnen dabei hilft, stärker auf dem Pedal zu stehen. Wirklich bemerkenswert ist, dass der Fahrer den Bremsvorgang in mitten von all dem, während er mit über 100 kg an Kraft auf dem Pedal steht, mit dem Feingefühl eines Konzertpianisten beeinflussen muss, damit das Auto am absoluten Limit der Reifen durch die Kurve fährt. Ein reizvoller Kontrast zwischen Gewalt und Behutsamkeit.

Der perfekte Moment, um auf die Bremse zu treten, hängt in einem Formel-1-Auto von vielen Variablen ab – der Benzinmenge, der Reifenmischung, dem Reifenabbau und wie sehr der Fahrer die Reifen schont. Aus diesem Grund verändert sich der Zeitpunkt während des Rennens ständig, da Benzin verbrannt wird und die Reifen sich weiter abnutzen, daran müssen sich die Fahrer anpassen. Im Qualifying sieht es anders aus, da die Benzinmenge relativ ähnlich ist und die Reifen neu sind. Dadurch bleiben die Bremspunkte größtenteils identisch.

Die Fahrer intensivieren das Bremsen im Laufe des Wochenendes und nutzen das Training, um das Limit zu
finden. Sie beginnen konservativ, bevor sie immer später vor der Kurve bremsen, bis sie den richtigen Punkt gefunden haben, um das Bremspedal zu betätigen. Der kniffligste Moment des Wochenendes ist zweifelsohne das Anbremsen der ersten Kurve nach dem Start. Das liegt zunächst einmal daran, dass die Fahrer am Sonntag kaum Möglichkeiten haben, um vor dem Rennen auf der Strecke zu fahren. Dadurch müssen sie die wichtige Entscheidung, wann sie die erste Kurve anbremsen, auf Basis von groben Schätzungen über das Grip-Niveau an diesem Tag treffen. Die Informationen dafür sammeln sie auf den Runden in die Startaufstellung und auf der Einführungsrunde.

Zweitens: Obwohl die Fahrer die Reifen auf der Einführungsrunde aufwärmen und vorher so lange wie möglich Reifenheizdecken verwendet werden, besitzen die Bremsen sowie die Reifen beim Start des Rennens noch nicht ihre optimale Temperatur. Somit ist es schwierig abzuschätzen, wie viel Bremspotential sie bieten werden. Schlussendlich liegt das gesamte Feld beim Start sehr eng zusammen und alle Autos kämpfen um den gleichen Platz auf der Strecke. Deshalb müssen die Fahrer auf viele verschiedene Elemente reagieren und dabei sicherstellen, dass sie den richtigen Windschatten erhalten, vorhersehen, was ihre Gegner als nächstes machen werden, abschätzen, wie das Grip-Niveau ist, dafür sorgen, dass sie nicht zu früh bremsen und dadurch Plätze verlieren, aber gleichzeitig auch keine Chance auslassen, selbst Positionen gutzumachen.

Kohlfaserbremsen: mehr als 1000 Grad heiss

Die maximalen Temperaturen für die Bremsscheiben können mehr als 1000 Grad erreichen. Die Karbonscheiben können mit diesen Spitzentemperaturen locker umgehen. Sollten sie jedoch über einen längeren Zeitraum auftreten, kann dies zu Schwierigkeiten führen. Die Bremsen werden größtenteils auf den Geraden gekühlt, wenn das Auto mit voller Geschwindigkeit unterwegs ist und dadurch viel Luft durch die Bremskühlung fließt. Auf einer Strecke wie in Monaco kann die Kühlung der Bremsen deshalb zu einem echten Problem werden. Denn obwohl die Geschwindigkeiten relativ niedrig sind, gibt es sehr viele Kurven und dadurch auch viele Bremsmanöver, zwischen denen nur sehr wenige kurze Geraden liegen.

Die Bremsen werden gekühlt, indem Luft durch die Bremskühlung fließt und sie beim Radträger wieder verlässt. In die Seiten der Bremsscheiben sind mehr als 1000 Löcher gebohrt, um die Oberfläche und damit das Kühlungspotential zu maximieren. Während diese Löcher dabei helfen, die Temperaturen auf der Geraden erheblich zu verringern, führen sie auch dazu, dass die Scheiben höhere Temperaturen erreichen, weil ihre Wärmemasse geringer ist.

Wenn eine Bremsscheibe zu heiß wird, kommt es zum Phänomen des «Fadings» (Bremsschwunds). Beim Fading ist nicht genügend gegenseitige Reibung zwischen den Bremsbelägen und den Bremsscheiben vorhanden, wodurch die Bremsen das Fahrzeug weniger effektiv abbremsen. Unter hohen Temperaturen leidet jedoch nicht nur die Performance der Bremsen. Die abgegebene Hitze muss auch weitergeleitet werden, wenn sie rund um die Räder und Reifen austritt, die ihrerseits in ihrem eigenen Temperaturfenster arbeiten, um die bestmögliche Leistung zu erreichen. Die Bremskühler schaffen Luft herbei, um die Temperaturen abzukühlen, aber das hat wiederum Einfluss auf die aerodynamische Performance. Je größer die Kühler (und damit die Kühlleistung) sind, desto größer ist der Einfluss auf die Aero-Performance. Aus diesem Grund muss das Team eine Balance zwischen dem richtigen Kühlniveau und dem Einfluss auf den aerodynamischen Luftfluss rund um die Bremsen finden.

Bremsen verstellen im Rennen

Die Bremsen können Tiefstwerte von bis zu 200°C aushalten. Wenn sie aber zu kalt werden, haben sie nicht genug Griff oder ursprünglichen Grip, um das Auto zu verzögern. Der Umgang mit den Temperaturen ist ein wichtiger Faktor bei der Bremsperformance an einem F1-Auto und es ist entscheidend, das richtige Fenster zu treffen. Das gilt ganz besonders in Schlüsselmomenten während des Rennwochenendes wie dem Start oder bei einem Re-Start nach einer Safety-Car-Phase. Deshalb fahren die F1-Fahrer hinter dem Safety-Car oftmals Zickzack oder drücken den Knopf BW (Bremsen aufwärmen) an ihrem Lenkrad, mit dem sie die Bremsbalance überschreiben können.

Eine der häufigsten Einstellungen, die ein Fahrer während einer Runde vornimmt, ist die Veränderung der Bremsbalance; also die Verteilung der Bremskraft auf die Vorder- und die Hinterachse des Autos. Diese kann vom Fahrer vorgenommen werden und hängt davon ab, wie das Gewicht und die Aero-Balance des Autos in jeder Kurve aussehen. Zum Beispiel: Bei 55% an der Vorderachse liegen 55% der Bremskraft auf der Vorderachse und 45% auf der Hinterachse.

Mit der Einführung der Hybrid Power Units wurde die Bremsbalance etwas komplexer, aber auch sehr viel ausgeklügelter. Denn die Bremskraft wird jetzt an der Hinterachse in Kombination mit der Energierückgewinnung durch die MGU-K genutzt. Die ECU errechnet die Bremsbalance spontan, damit sie in verschiedenen Momenten der Kurvenfahrt geändert werden kann – etwa, wenn die Geschwindigkeit abnimmt oder der Fahrer einlenkt. Die Veränderung von einer Bremsbalance-Einstellung zur nächsten nennt sich Bremsmigration. Die Fahrer können die Bremsmigration und die Bremsbalance über einen Drehschalter sowie die Knöpfe am Lenkrad von Kurve zu Kurve verstellen. In besonders kniffligen Momenten wie der ersten Kurve nach dem Start schlagen die Ingenieure die Einstellungen auf Basis der vorhandenen Daten vor.

Rennstrecken können für die Bremsen aus unterschiedlichen Gründen fordernd sein. Eine Strecke wie Baku weist viele enge, lange Kurvenabschnitte auf, in denen die Geschwindigkeiten relativ niedrig sind. Dadurch können die Bremsen nicht so stark gekühlt werden. Die lange Start-/Zielgerade bietet eine gute Gelegenheit, um die Bremsen abzukühlen, danach sind sie aber möglicherweise zu kalt für das harte Anbremsen der ersten Kurve. In Monaco ist es schwierig, weil die Geschwindigkeiten sehr niedrig sind und dadurch weniger Luft durch die Kühler strömt, um die Bremsen zu kühlen. Zudem folgt eine Kurve auf die nächste, ohne viele Geraden dazwischen. Entsprechend können die Bremsen dort sehr heiß werden. Ein Kurs wie in Kanada ist hart zu den Bremsen, da es lange Geraden und starke Bremszonen gibt, in denen die Bremssysteme gefordert werden. Das kann zu einer höheren Abnutzung oder höheren Temperaturen als auf anderen Strecken führen.

Verbremser sind in der Formel 1 weit verbreitet. Sie passieren, wenn zu viel Kraft auf die Bremsen ausgeübt wird. Dann bleibt die Scheibe stehen oder dreht sich langsamer als die Bewegung des Fahrzeugs. In der Folge scheuert der Reifen über die Streckenoberfläche, was manchmal weißen Rauch hervorruft.

Während dies in der F1 relativ oft geschieht, sind Verbremser auf der Straße sehr selten. Dafür gibt es zwei Gründe: In der Formel 1 spielt die Aerodynamik eine wichtige Rolle. Je schneller ein F1-Auto fährt, desto mehr Abtrieb erzeugt es. Mit dem Abtrieb nimmt das Grip-Niveau zu. Dadurch haben die Autos bei hohen Geschwindigkeiten ein höheres Bremspotential als bei niedrigeren. Gleichzeitig bedeutet dies, dass sich das Grip-Niveau beim Verzögern ständig verändert. Es wäre relativ schwierig, die Reifen bei 300 km/h stehen zu lassen. Bei Geschwindigkeiten unter 100 km/h ist es jedoch sehr viel einfacher. Die Fahrer treten deshalb normalerweise stärker auf das Bremspedal, wenn sie in die Bremszone kommen, denn in diesem Moment besitzt das Auto sein maximales Bremspotential. Danach lassen sie langsam nach, wenn sie in die Einlenkphase übergehen und versuchen so, stehende Räder zu vermeiden.

Es gibt aber noch einen weiteren Grund, warum F1-Autos öfter stehende Räder haben als Straßenfahrzeuge: moderne Straßenautos sind alle mit einem Antiblockiersystem (ABS) ausgestattet, das in der Formel 1 per Reglement verboten ist. Die Einführung von ABS wird allgemeinhin als eine der wichtigsten Sicherheitsinnovationen in der Automobilbranche angesehen. Sie hat dramatisch dazu beigetragen, die Anzahl an Unfällen zu reduzieren, da das Auto durch ABS selbst bei einer Notbremsung noch immer auf Lenkbewegungen reagiert. Mercedes-Benz spielte dabei eine wichtige Rolle. Im Jahr 1970 zeigte das Unternehmen die erste Generation eines Antiblockiersystems für Pkw, Nutzfahrzeuge und Busse. Acht Jahre später war die S-Klasse das erste Serienfahrzeug, das mit der zweiten Generation des elektronischen Vier-Rad-Mehrkanal-ABS ausgestattet wurde.