Teil 2 | Schwerpunkt

von Daniel Rädel

Fahrverhalten und Fahrleistungen unter Einfluss der Masse und Schwerpunktlage in rFactor2

Theorie

Die Masse und Schwerpunktlage beeinflusst die Fahrleistungen eines Straßen- und Rennfahrzeuges erheblich und hat direkten Einfluss auf das Fahrverhalten.

Die Masse des Fahrzeuges und dessen grundlegendes, konzeptionelles Layout beeinflussen des Weiteren die Schwerpunktlage an sich.

Folgende konzeptionellen Layouts bezüglich Motor-/ Antriebslage sind gebräuchlich:

  • Frontmotor – Frontantrieb (z.B. Renault Clio Cup oder aktuelle WTCR Fahrzeuge)
  • Frontmotor – Heckantrieb (z.B. BMW E30 M3)
  • Frontmittelmotor – Heckantrieb (z.B. Chevrolet Corvette Z7R; Mercedes Benz SLS AMG)
  • Mittelmotor – Heckantrieb (z.B. Ferrari 488 GTE; Ford GT GTE; Oreca 07 LMP2)
  • Heckmotor – Heckantrieb (z.B. Porsche 911 GT3 Cup)

In der folgenden Tabelle sind die Vor- und Nachteile einiger dieser Konzepte aufgeführt:

Sowohl bei GT- Fahrzeugen (GT3, GT4, GTE etc.) als auch bei Sportprototypen (LMP1, LMP2, LMP3) werden heutzutage Mittelmotor-Layouts bevorzugt.

Als Richtwert für optimale Schwerpunktlagen, bezogen auf die Achslasten, nennt die Fachwelt für heckgetriebene Fahrzeuge ein Verhältnis von ca. 45:50 (Vorder- zu Hinterachse). Auswertungen der Fahrt eines Sportprototypen auf dem Circuit de la Sarthe (Le Mans) ergaben eine  optimale Achslastverteilung von 43:57 bezogen auf die gefahrenen Rundenzeiten.

Eine gewisse Sonderrolle bei aktuellen Rennfahrzeugen in konzeptioneller Hinsicht nimmt der Porsche 911 ein. Sein Layout - Heckmotor–Heckantrieb - ist auf dem Papier eher als nachteilig zu bewerten. Letztendlich werden die Nachteile durch andere Maßnahmen gemindert. Da das Grundlayout des Porsche 911 nicht gänzlich vorteilhaft ist, entschied man sich, beim 911 RSR (GTE- Klasse), zu einem Mittelmotor-Layout. Dies stellte in der Rennhistorie des 911 ein Novum dar. Hierbei bediente sich Porsche bei den Mittelmotorbaukästen des Cayman und des 918.

Die Lage des Gesamtschwerpunktes wird maßgeblich durch die Lage der Einzelschwerpunkte der Hauptbaugruppen im Fahrzeug bestimmt. Die Hauptbaugruppen sind im wesentlichen Motor, Getriebe, Rahmen (Karosserie oder Monocouque), Fahrwerksteile und die Tankanlage sowie Verkleidungsteile. Die Tankanlage nimmt hierbei eine Sonderrolle ein: Mit dem Sinken des Füllstandes senkt sich auch der Schwerpunkt dieser Baugruppe. Der Schwerpunkt ist also nicht fix, sondern variabel und ändert sich kontinuierlich während der Fahrt.

Warum wird eine Schwerpunktlage in Richtung Mitte des Fahrzeuges bevorzugt?

Bei Fahrzeugen mit Heckmotor, z.B., liegt der Schwerpunkt deutlich Richtung Fahrzeug hinten. Dies führt konzeptbedingt zu einem übersteuerndem Fahrverhalten. Um mehr Freiraum in der finalen Abstimmung des Fahrverhaltens zu haben und auf die Vorlieben der Fahrer eingehen zu können, bevorzugt man - im optimalsten Fall - eine 50:50 Achslastverteilung. Auf Basis dieser lässt sich das Fahrverhalten des Fahrzeuges mit geringem Aufwand an den Fahrstil des Piloten anpassen. Durch eine 50:50 Achslastverteilung kann man zudem auf extreme Mischbereifung verzichten. Im Idealfall müssen demnach nicht extrem breite Reifen an der Hinterachse - im Vergleich zu jenen vorne - gefahren werden, um einer übersteuernden Grundauslegung entgegen zu wirken. Bei aktuellen, heckgetriebenen Fahrzeugen mit hoher Motorleistung sind auf der Hinterachse zwar breitere Reifen montiert, jedoch nicht in dem Ausmaß, wie bei historischen Rennfahrzeugen mit Heckmotor Auslegung, wie z.B. beim Porsche 935. Im Vergleich zum aktuellen Porsche 911 RSR aus der GTE Klasse, mit einer Breite des Vorderreifens von 300mm und des Hinterreifens von 310mm, wurden auf dem Porsche 935 vorne Reifen mit einer Breite von 275mm und hinten 350mm gefahren. 

Im Fahrbetrieb ist die Lage des Schwerpunktes im Fahrzeugkoordinatensystem zudem eine variable Größe. Wenn ein Fahrzeug beschleunigt, so wandert der Schwerpunkt Richtung Fahrzeug hinten. Im Falle der Verzögerung wandert er nach vorne. Bei Kurvenfahrt wandert der Schwerpunkt entsprechend Richtung Kurvenaußenseite. Dies bedeutet, dass, z.B. in einem Fahrzeug mit Frontmotor beim Verzögern die Hinterachse stark entlastet wird. Dies führt wiederum in diesem Fall bei konzeptbedingtem, bereits relativ weit vorn liegendem Schwerpunkt zu einem nervöses Fahrverhalten und somit einem potenziellen Ausbrechen des Hecks bei der Einfahrt in eine Kurve. Auch aus diesem Grund wird eine neutrale Achslastverteilung bevorzugt bzw. angestrebt, um derartige Verhaltensweisen zu minimieren.

Anekdoten bezogen auf Schwerpunkt aus der Geschichte des Motorsportes:

Jeder kennt den Audi Sport-Quattro S1 E2. Zu Zeiten der Gruppe B war er eines der äußerlich extremsten Rallyefahrzeuge. Im Gegensatz zu den Fahrzeugen anderer Wettbewerber hatte der S1 E2 jedoch einen auf den Fahrzeugschwerpunkt zurückzuführenden, entscheidenden Nachteil. Der Motor des S1 lag vor der Vorderachse. Dies hatte zur Folge, dass sich der Schwerpunkt des Fahrzeuges auch relativ weit vorn befand. Hierdurch ergab sich eine Neigung zum Untersteuern. Die Fahrzeuge der Konkurrenz von Lancia (Delta S4), Ford (RS200), Metro (6R4) oder Peugeot (206 T16) wurden konsequent auf eine homogene Achslastverteilung ausgelegt. Sie alle verfügten über ein Mittelmotorkonzept. Durch den konzeptionellen Wettbewerbsnachteil des S1 war dieser, entgegen der subjektiven, öffentlichen Meinung, ein nicht sonderlich erfolgreiches Fahrzeug. Der mit Abstand erfolgreichste Gruppe B Bolide war der Peugeot 206 Turbo 16. Dies auch hauptsächlich durch die o.a. Layout-Vorteile.

Simulation des Schwerpunktes in rFactor 2:

Wie in der Einführung zu diesem Blog bereits erwähnt, wollen wir euch so detailreich wie möglich die Umsetzungsweise diverser, physikalischer Aspekte in rFactor2 näherbringen. 

Vorweg: Wie bzw. woraus wird ein Fahrzeug in rFactor2 erstellt?

Im Grunde kann man ein simuliertes Fahrzeug in rFactor2 in zwei Bereiche aufteilen. Zum einen gibt es den grafischen Teil. Dieser umfasst das, was wir auf unserem Bildschirmen sehen, sprich: das 3D Model des entsprechenden Fahrzeuges in seiner ganzen grafischen Pracht. Zum anderen, und dies soll bekanntlich Thema dieses Blogs sein, gibt es im Hintergrund eine Vielzahl an Dateien, mit Hilfe welcher die Fahrphysik des Fahrzeuges berechnet wird.

Um es z.B. dem Entwickler oder dem Modder-Team einfacher zu machen, ein neues Fahrzeug für die Simulation zu erstellen, arbeitet rFactor2 mit sogenannten Spreadsheets. Diese Spreadsheets sind äußerst umfangreiche Tabellendokumente, in welchen der Ersteller des Fahrzeuges eine unglaubliche Anzahl an Angaben geometrischer und physikalischer Natur, basierend auf dem realen Fahrzeug, tätigen muss. Im Anschluss erstellt das Spreadsheet dann die Angaben für die erforderlichen Dateien, welche letztendlich das Fahrzeug in der Simulation beschreiben/simulieren. 

Das angesprochene Tabellendokument enthält zur Zeit 22 Sheets. Jedes dieser Sheets behandelt einen Bereich oder eine Baugruppe des Fahrzeuges (siehe Illustration 4).

Wie bereits erwähnt und in der obigen Illustration ersichtlich, behandeln die Einzelsheets die jeweiligen Baugruppen des Fahrzeuges. In einigen dieser Sheets müssen Angaben, bezogen auf bzw. zur Lage des jeweiligen Schwerpunktes gemacht werden. Am Beispiel des Tankes (Sheet Fuel) werden wir die Behandlung der Schwerpunktthematik näher erläutern. 

Die erste grundlegende, geforderte Angabe bezieht sich auf die geometrische Größe des Tankes im Fahrzeugkoordinatensystem. Hierfür wird ein auf Basis von acht Koordinatenpunkten erzeugter Körper für die weiteren Berechnungen generiert (Illustration 5).

Auf Basis dieser Angaben errechnet das Spreadsheet den theoretischen Füllinhalt des Tankes. Hieraus wiederum wird die Lage des Schwerpunktes des Tankes im Fahrzeugkoordinatensystem ermittelt. Hierbei handelt es sich aber nicht nur um die Lage des Schwerpunktes des Tankes bei einem bestimmten Füllstand, sondern auch um die Verschiebung des Schwerpunktes unter Berücksichtigung des Füllstandes als dynamischer Prozess (Illustration 6).

Bezogen auf die Theorie bedeutet dies, dass sich die Masse und Position des Schwerpunktes des Tanks in der Simulation je nach Füllstand des Tankes ändert. Wenn der Füllstand während des Fahrens Runde für Runde sinkt, hat dies Einfluss auf die Lage des Gesamtschwerpunktes im Fahrzeug. Hierdurch kann z.B. auch der sogenannte „Full Tank Effect“ möglichst realitätsnah abgebildet werden. „Full Tank Effect“ bezeichnet die Veränderung im Fahrverhalten nach einem Boxenstop ohne Reifenwechsel aber mit Auffüllen des Tankes. Die Reifen werden während des Boxenstopps nicht gewechselt und sind entsprechend abgenutzt. Wenn nun der Tank wieder komplett aufgefüllt ist, steigt die Masse des Fahrzeuges und die Reifen haben gefühlt deutlich weniger Grip, wenn es wieder auf die Strecke geht, als vor dem Boxenstopp.

Dies ist nur einer der Effekte, welcher auf Basis der getätigten Angaben dargestellt werden kann. Die Lage des Schwerpunktes und dessen Verhalten während der Fahrt kann also für jedes Fahrzeug individuell und einzig und allein auf Basis der „realen“ Daten simuliert werden. Dies bedeutet, dass nicht ein Wert oder eine Wertänderung vorgeschrieben wird, sondern dass das Physikmodell die Schwerpunktthematik individuell und fahrzeugspezifisch simulieren kann. Auch der im Vorherigen erwähnte Einfluss der Änderung der Schwerpunktlage bei Beschleunigung, Verzögerung und Kurvenfahrt wird anhand der eingegebenen Daten simuliert. Hierfür werden Massenträgheiten und Beschleunigungen als Berechnungsgrundlage herangezogen; dies wiederum einzig und allein anhand der geometrischen und physikalischen Vorgaben, welche vom Ersteller des Fahrzeuges angegeben werden. 

Fazit

Die Angaben oben gelten im Spreadsheet für nahezu jede Baugruppe im Fahrzeug. Egal ob Motor, Getriebe oder Fahrer - die Schwerpunkte aller dieser Einzelbaugruppen beeinflussen entsprechend den Gesamtschwerpunkt.

In den weiteren Blog-Artikeln wird deutlich werden, wie detailreich die Simulation der Physik in anderen Bereichen in rFactor2 umgesetzt ist. Je mehr Daten man vom Originalfahrzeug vorliegen hat, desto genauer ist die Software in der Lage, dieses simulieren zu können.


Part 2 | Centre of gravity

by Daniel Rädel

Driving behaviour and performance under influence of mass and centre of gravity in rFactor2

Theory

Mass and centre of gravity have a considerable influence on the performance of road and racing vehicles and have a direct influence on driving behaviour.

The mass of the vehicle and its basic conceptual layout also influence the position of the centre of gravity itself.

The following conceptual layouts regarding motor and drive position are common:

  • Front engine - front-wheel drive (e. g. Renault Clio Cup or current WTCR vehicles)
  • Front engine - rear-wheel drive (e. g. BMW E30 M3)
  • Front mid-engine - rear-wheel drive (e. g. Chevrolet Corvette Z7R; Mercedes Benz SLS AMG)
  • Mid-engine - rear-wheel drive (e. g. Ferrari 488 GTE; Ford GT GTE; Oreca 07 LMP2)
  • Rear engine - rear wheel drive (e. g. Porsche 911 GT3 Cup)

The following table lists the advantages and disadvantages of some of these concepts:

For both GT- Vehicles (GT3, GT4, GTE etc.) and sports prototypes (LMP1,LMP2, LMP3), midengined layouts are preferred nowadays.

As a guideline value for optimum centre of gravity positions in relation to axle loads, experts call a ratio of approx. 45:50 (front to rear axle) for rear-wheel-drive vehicles. Evaluations of a sports prototypee´s drive on the Circuit de la Sarthe (Le Mans) revealed an optimum axle load distribution of 43:57 in relation to the lap times driven.

The Porsche 911 plays a special conceptual role in current racing cars. Its layout, rear engine – rear wheel drive, is to be evaluated on paper rather as disadvantageous. Ultimately, the disadvantages are mitigated by othe measures. Since the basic layout of the Porsche 911 is not entirely advantageous, it was decided to use a mid-engine layout for the 911 RSR (GTE-class). Here Porsche used the mid-engine kits of the Cayman and the 918.

The position of the overall centre of gravity is decisively determined by the position of theindividual centres of gravity of the main assemblies in the vehicle. The main assemblies are engine, transmission, frame (body or monocouque), chassis parts and the tank system, as well as fairing parts. The tank system plays a special role here. As the fuel level drops, so does the centre of gravity of this assembly. The centre of gravity is not fixed but variable and changes continuously during the ride.

Why is a position of the centre of gravity preferred towards the centre of the vehicle?

In vehicles with rear engine layout, e. g., the centre of gravity is clearly towards teh rear of the vehicle. This leads to an oversteering driving behaviour due to the concept. In order to have more freedom in the final tuning of the driving behaviour and to be able to respond to the preferences of the drivers, a 50:50 axle load distribution is preferred in the best cas. On the basis of these, the driving behaviour of the vehicle can be adapted to the driving style of the pilot with little effort. A 50:50 axle load distribution also means that extreme mixed tyres can be dispensed with. In the ideal case, therefore, extremely wide tyres on the rear axle, compared to those in the front, do not have to be driven to counteract an oversteering basic behaviour. In current rear-wheel drive vehicles with high engine power, wider tyres are mounted on the rear axle, but not to the same extend as in historic racing cars with rear engines, such as the Porsche 935. Compared to the current 911 RSR, with a width of the front tyres of 300mm and the rear tyres of 310mm, the Porsche 935 had tyres with a width of 275mm at the front and 350mm at the rear.

During driving, the position of the centre of gravity in the vehicles coordinate system is also a variable value. When a vehicle accelerates, the centre of gravity moves towards the rear of the vehicle. In the eventof deaccelaration, it moves forward. When cornering, the centre of gravity moves in the direction of the outside of the curve. This means that, for example, in a vehicle with a front engine, the rear axle is greatly relieved when decelerating. This, in turn, leads in this case, with a concept-conditioned centre of gravity that is already relatively far in front, to nervous driving behaviour and thus a potential breakaway of the rear when entering a corner. Also for this reason, a neutral axle load distribution is preferred or aimed at in order to minimise such behaviour.

Anecdotes related to the topic from the history of motorsport:

Everyone knows the Audi Sport- Quattro S1 E2. At the time of Group B it was one of the most extreme rallye- cars outwardly. In contrast to the vehicles of its competitors, however, the S1 E2 had a decisive disadvantage due to the vehicle´s centre of gravity. The engine of the S1 E2 was located in front of the front axle. As a result, the centre of gravity of the car was also relatively far ahead. This resulted in a tendency to understeer. The vehicles of the competitors, Lancia (Delta S4), Ford (RS200), Metro (6R4) or Peugeot (205 Turbo 16), were consistently designed for a homogeneous axle load distribution. They all featured a mid- engine layout. Due to the conceptual competitive disadvantage of the S1 E2, it was, contrary to the subjective public oppinion, a not very succesful vehicle. By far the most succesful Group B car was the Peugeot 205 Turbo 16, mainly due to the above mentioned advantages by a mid- engine layout.

Simulation of the center of gravity in rFactor2:

As already mentioned in the introduction to this blog, we want to give you as much detail as possible about the implementation of various physical aspects in rFactor2.

Beforehand: How and from what is a vehicle created in rFactor2?

Basically, a simulated vehicle in rFactor2 can be divided into two areas. On the one hand there is the graphic part. This includes what we see on our screens, i. e. the 3D model of the corresponding vehicle in all its graphic splendour. On the other hand, and this should be the topic of this blog, there are a lot of files in the background which are used to calculate the driving physics of the vehicle.

To make it easier for the developer or the modder team to create a new vehicle for the simulation, Rfactor2 works with so called spreadsheets. These spreadsheets are extremely comprehensive tabular documents in which the creator of the vehicle must enter an incredible number of geometric and physical data, based on the real vehicle. The spreadsheet then creates the specifications for the required files, which ultimately describe/simulate the vehicle in the simulation.

The table document mentioned currently contains 22 sheets. Each of these sheets covers an area or assembly of the vehicle (see illustration 4).

As already mentioned and as can be seen in the illustration above, the single sheets deal with the respective assemblies of the vehicle.

In some of those sheets information must be given regarding the position of the respective centre of gravity. Using the example of the tank (sheet fuel), we will explain the treatment of the main topic in more detail.

The first basic required specification refers to the geometric size of the tank in the vehicle´s coordinate system. For this purpose, a body generated on the basis of 8 coordinate points is generated for futher calculations (Illustration 5).

On the basis of these data, the spreadsheet calculates the theoretical capacity of the tank. From this the position of the centre of gravity of the tank in the vehicle´s coordinate system is determined. However, this does not only concern the position of the centre of gravity of the tank at a certain filling level, but also the shift of the centre of gravity taking into account the filling level as a dynamic process. (Illustration 6).

In theory, this means that the mass and position of the centre of gravity of the tank in the simulation changes depending on the fuel level of the tank. If the fuel level drops lap by lap during driving, this has an influence on the position of the overall centre of gravity in the vehicle. Illustration 5: Overview; tank location in vehicle´s coordinate system Illustration 6: Calculations for assembly tank This allows, for example, the so-called „Full Tank Effect" to be mapped as close to reality as possible. „Full Tank Effect" refers to the change in driving behaviour after a pit stop without changing tyres, but with refilling the tank. The tyres are not changed during the pit stop and are worn out accordingly. Now when the tank is completely refilled the mass of the vehicle increases and the tires have felt significantly less grip when it goes back to the track than before the pit stop.

This is only one of the effects that can be presented on the basis of the information provided. The position of the centre of gravity and its behaviour during whiile driving can thus be simulated for each vehicle individually and solely on the basis of the „real“ data. This means that a value change is not prescribed, but that the physics model can simulate the main topic individually and vehicle-specifically. The influence of the change in the position of the centre of gravity during accelaration, decelleration and cornering mentioned above is also simulated on the basis of the data provided in the spreadsheets. Mass inertia and accelaration are used as the basis for the calculations. This in turn is based solely on the geometrc and physical specifications given by the vehicle manufacturer.

Conclusion

The above information in the spreadsheets applies to almost every assembly in the vehicle. Whether engine, transmission or driver, the centres of gravity of all these individual assemblies influence the overall centre of gravity accordingly. In the following blog articles it will become clear how detailed the simulation ogf physics in other areas is implemented in rFactor2. The more data you have from the original car, the more accurate the software is able to simulate it. Additionally we want to thank Studio397 for there very welcome support in the creation of these and the following articles!

Best regards

Virtual Racing e.V.

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