Как крепятся колеса на формуле 1
Почему в Формуле 1 до сих пор используются колеса небольшого диаметра? Какие преимущества сулил бы переход на низкопрофильные шины? Из каких деталей состоит колесная втулка, и как удается закрепить колесо одной-единственной гайкой? На эти и другие вопросы в очередном номере британского F1 Racing ответил технический консультант Marussia F1 Пэт Симондс.
Пэт Симондс: "Тринадцатидюймовые колеса и шины с высоким профилем сегодня выглядят несколько старомодно, однако такой дизайн был закреплен еще в восьмидесятых годах прошлого века, когда команды начали экспериментировать с колесами большего диаметра, и в FIA решили ввести ограничения, сочтя подобные изыскания лишней тратой денег. Позже уже сами команды отказывались идти на какие-либо корректировки, поскольку это потребовало бы пересмотра едва ли не всей конструкции машины.
Небольшой диаметр колес с одной стороны осложняет работу над машиной, с другой - в ряде аспектов делает ее проще. При такой высокой боковине почти 50% эффекта амортизации приходится непосредственно на шины, что делает геометрию подвески не настолько важной, как было бы в случае с низкопрофильной резиной, для которой запредельная жесткость боковин требует четкой постановки шин на поверхность трассы и, следовательно, более изощренной конструкции рычагов подвески. Опять же, больший диаметр колес упростил бы задачу размещения тормозных механизмов, а у команд появилась бы возможность использовать тормоза увеличенного размера и с большим ресурсом – правда, в таком случае FIA пришлось бы сперва зафиксировать эту возможность в техническом регламенте.
Вы спросите, в чем преимущества перехода на колеса большего диаметра с низкопрофильными шинами? Колеса большего диаметра не только придали бы машинам более современный вид: с ними инженерам было бы намного проще разместить там колесные ступицы. Кроме того, это серьезным образом повлияло бы на принцип работы шин и эффективность их прогрева.
Гонщики часто говорят о необходимости вывести шины на необходимый температурный режим. Вы можете подумать, что речь идет о тепловой энергии, выделяемой в процессе трения шины о поверхность трассы. Отчасти это правда, однако в данном случае нагревается лишь внешняя поверхность шины. Впрочем, резина – достаточно хороший проводник тепла, и оно постепенно распространяется на каркас шины, который также должен быть прогрет до требуемой температуры.
Но прогрев самого каркаса в большей степени достигается за счет деформации шины. Игроки в сквош знают: чтобы сделать мячик более податливым, необходимо стукнуть по нему несколько раз, тем самым повысив его температуру. Аналогичным образом это работает с шинами: деформация возникает, во-первых, вследствие качения колеса по трассе, когда нижняя часть шины образует так называемое пятно контакта; а во-вторых, вследствие изгиба боковин шины при прохождении поворотов. Если бы шины были низкопрофильными, они деформировались бы намного меньше и меньше бы нагревались, что потребовало бы совершенно иной линейки составов смеси – впрочем, добиться этого не так уж и сложно.
Низкопрофильные шины менее требовательны к давлению. Это объясняется двумя факторами: во-первых, более жесткий каркас в меньшей степени нуждается в поддержке воздухом, а во-вторых, сам объем воздуха меньше, и с изменением температуры давление изменяется не столь значительно. Таким образом, низкопрофильные шины было бы проще использовать без какого-либо прогрева, нежели нынешние шины с высоким профилем.
От шин перейдем к колесным ступицам. Ступица состоит из оси и подшипников, вставленных в специальный корпус. Правилами предписано, чтобы корпус был выполнен из относительно распространенных сплавов алюминия, способных сохранять прочность и жесткость в условиях высоких температур.
В предыдущие годы в конструкции корпусов ступиц использовались сперва магниевые сплавы, которые, впрочем, обладали не лучшей жесткостью, затем сталь, а еще позднее – обработанный титан и более дорогие литиево-алюминиевые и другие изощренные сплавы. Нынешние ограничения на использование подобных материалов – одна из мер, направленных на предотвращение роста расходов в Формуле 1.
В связке "подшипники – ось" вращается сама ось, выполненная из титана или высокопрочной легированной стали. На оси закреплен шлицевый конус, к которому крепится карбоновый тормозной диск - через этот конус тормозное усилие передается на ось. На конце оси есть специальная резьба, на которую накручивается колесная гайка. Привод колес осуществляется через специальные штифты, которые могут быть либо прикреплены к оси и входить в специальные отверстия в колесе, либо наоборот – быть прикреплены к самому колесу и входить в отверстия в оси.
Система крепления колеса очень изощренная. Когда на пит-стоп отводится немногим более двух секунд, все должно работать безупречно, а конструкция - не позволять совершать даже малейших ошибок. Это означает, что колесо должно сразу садиться на ось, а колесная гайка должна закручиваться с первого раза. В числе последних тенденций – крепить гайку сразу к колесу, поскольку в таком случае больше вероятность правильной установки и меньше риск срыва резьбы.
Сама резьба имеет диаметр 75 мм и тщательно обработана для лучшего закрепления. Современные колесные гайки имеют не шестиугольную, а зубчатую форму: при закреплении эти зубцы вставляются в специальные пазы гайковерта.
Наконец, в системе крепления колеса предусмотрены специальные устройства, препятствующие соскальзыванию колеса с оси в случае потери гайки. Как мы уже убедились, они не всегда работают так, как требуется.
Можно ли сказать, что колесо - это единственная область машины, дизайн которой не определяется требованиями аэродинамики? Не совсем. Наряду с жесткостью, которая остается ключевым параметром конструкции, крайне важным остается вопрос управления воздушным потоком в этой области. Поперечные рычаги, тяги и толкатели расположены таким образом, чтобы у специалистов по аэродинамике была возможность разместить все те многочисленные открылки, которые мы часто видим на воздуховодах тормозов.
Поток внутри колеса тоже важен, поскольку от него зависит не только охлаждение механизмов, но и перераспределение тепла. Иногда требуется использовать горячий воздух, идущий от тормозов, для нагрева колесных дисков и, как следствие, шин. Ну а если резина, наоборот, перегревается, к дискам может быть подан поток холодного воздуха. В целом то, по какому пути движется поток через колесо, способно оказать значительный эффект на аэродинамическую эффективность всей этой зоны.
Несколько лет назад, до вступления в силу соответствующего запрета, все машины оснащались фиксированными колпаками на ступицы, что позволяло воздуху выходить из колеса в оптимальном месте. В наше время подобные технологии снова актуальны – в частности, Red Bull Racing и Williams потратили немало сил на оптимизацию потока в этой области.
Часто спрашивают, использует ли Формула 1 те же колесные подшипники, что дорожные машины. Отвечаю - нет. В дорожных машинах подшипники должны соответствовать параметрам массовых моделей осей и втулок. Также от них требуется без ремонта проходить до 160 тысяч километров, и притом их стоимость должна быть умеренной. Машины Формулы 1 используют подшипники большего диаметра с целью придания всей конструкции максимальной жесткости.
Трение при этом должно быть минимальным: для этих целей вместо стальных шариков в подшипнике используются керамические. Шарики разделены специальными проставками, установленными таким образом, чтобы подшипники имели достаточную предварительную нагрузку, но не демонстрировали люфт при высоких температурах. Каждый подшипник стоит 1300 фунтов стерлингов, притом на машине их восемь!
Наконец, из каких материалов делают колеса? Из магниевого сплава, обеспечивающего достаточную жесткость при высоких температурах. Команды предпочли бы использовать карбоновое волокно с целью снизить неподрессоренную массу, повысить жесткость и уменьшить инерцию, однако правила не позволяют им сделать это".
Формула 1 – технический вид спорта, где многое происходит за кадром. Но даже в тех случаях, когда элементы или системы машины видны невооружённым взглядом, понять принципы их работы без специальной подготовки порой непросто.
Мы попросили рассказать об этом резервного пилота Renault F1 и пилота программы SMP Racing Сергея Сироткина. В первых материалах Сергей рассказал об аэродинамике и подвеске машин Формулы 1. Теперь очередь дошла до шин.
Эффективность работы шин определяется двумя важными моментами: хорошим сцеплением на быстром круге в квалификации и стойкостью к износу на длинной дистанции. В чём-то эти задачи пересекаются, но в значительной степени они абсолютно противоположны, а значит, инженерам снова приходится искать компромисс. Давайте попробуем разобрать, в чём он состоит.
Максимальный уровень сцепления колеса достигается за счёт:
- оптимального давления в шине;
- оптимальной нагрузки на шину, её загрузке в повороте;
- оптимального пятна контакта шины;
- оптимальной температуры шины.
Давление воздуха в шине напрямую влияет на все остальные факторы. На настоящий момент в Формуле 1 команды не могут выбирать уровень давления самостоятельно – минимальный уровень регламентирован Pirelli и при этом настолько высок, что все без исключения команды находятся именно на этой грани.
Минимальный уровень давления определяется по соображениям безопасности. Более низкое давление могло бы обеспечить чуть большее пятно контакта, да и шины были бы гораздо менее чувствительны к перегреву. Кроме того, более низкое давление помогало бы бороться с излишней жёсткостью шасси. Но при этом на больших скоростях и при больших перегрузках деформация недостаточно накачанной шины увеличивается, что, безусловно, не лучшим образом сказывается на её долговечности – увеличивается риск проколов, разрывов и так далее.
Что касается оптимальной загрузки шины в повороте, то неверно считать, что чем больше вертикальная нагрузка на колесо, тем лучше. Избыточная вертикальная нагрузка на колесо, наоборот, уменьшает уровень его сцепления с асфальтом. Когда я говорю о нагрузке на резину, я имею в виду сумму вертикальной и горизонтальной силы, которые передаются на шины через подвеску. Соответственно, чем жёстче настроена подвеска (пружины, стабилизаторы, амортизаторы), тем быстрее эта энергия доходит до шины. С какого-то момента шины просто не успевают поглотить эту энергию и начинают скользить.
Если избыточная боковая нагрузка практически напрямую приводит к скольжению, то вертикальная (которая, кстати, тоже частично суммируется и с боковой) до определенного, очень высокого предела только добавляет сцепления, но когда вертикальное давление переходит этот порог, сцепление падает, и достаточно сильно. Как правило, более мягкие составы обеспечивают максимальное сцепление при более высоких нагрузках, чем более жёсткие.
Оптимальное пятно контакта, как нетрудно догадаться, зависит от углов установки колес и, конечно же, давления в них. Здесь тоже приходится искать компромисс, потому что проще всего было бы увеличить пятно контакта за счёт уменьшения давления, но это, во-первых, запрещено правилами, а во-вторых, могло бы привести к разнообразным негативным последствиям, о которых я уже рассказывал. Кроме того, как мы уже подробно говорили в материале про настройки подвески, пятно контакта должно быть оптимальным не на прямой, а в повороте.
Один из наиболее специфических параметров – Slip Angle, что переводится как угол скольжения, увода колеса. Попросту говоря, это разница между фактическим направлением движения шины и направлением, в котором повёрнуто колесо. Так как абсолютный уровень сцепления колеса с асфальтом недостижим, то Slip Angle есть всегда. Именно Slip Angle ответственен за появление избыточной и недостаточной поворачиваемости. Кстати, он также немного влияет и на пятно контакта.
Давайте рассмотрим подход к работе с шинами по ходу уик-энда на практике. Опять же, давление мы не учитываем, так как у всех команд оно всегда соответствует минимально разрешённому Pirelli уровню. Во время квалификационного круга, чтобы извлечь из резины весь потенциал и добиться её максимального сцепления с асфальтом, задача инженеров сделать так, чтобы шасси максимально нагружало (но не перегружало) колёса, перенося на резину ровно столько энергии, сколько требуется.
На гоночной дистанции задача инженеров найти оптимальный компромисс между стабильностью шины на протяжении многих кругов и её уровнем сцепления. Это два противоположных подхода, ведь до определенного предела, чем больше машина передает энергии на колёса, тем больше сцепления мы получаем взамен. С другой стороны, чем больше мы недодадим энергии на шины, тем меньше будет износ и лучше термостойкость.
Примерно то же мы можем сказать и о параметрах сход/развал/кастер. В гонке темп машин падает, то есть зоны торможений и зоны разгона увеличиваются, а небольшое падение скорости в повороте играет меньшее значение, чем дополнительный выигрыш на торможениях и разгонах. В некоторых случаях это требует от инженеров быть чуть более консервативными в плане выбора сход/развала – но, опять же, тут многое зависит от трассы, температур и множества других параметров.
То же самое и с проскальзыванием (углом увода) колёс. На трассах с абразивным покрытием угол скольжения сильно влияет на уровень износа шин. На современных, более гладких типах покрытия любые скольжения очень быстро приводят к перегреву верхнего слоя шины, что сильно ухудшает сцепные свойства резины. Как правило, мы можем видеть это при пробуксовках на выходе из одного поворота, что моментально приводит к нестабильности на входе в следующий поворот.
Таким образом, если в квалификации мы можем использовать достаточно агрессивный подход в работе с шиной, ведь нам просто нужно добиться её максимальной эффективности на одном круге, то в гоночных условиях инженерам приходится искать компромисс, позволяющий оптимальным образом прогреть шины, а затем получать от них максимальный уровень отдачи при минимальном уровне износа.
Пит-стоп это кратковременная техническая остановка автомобиля во время гонки для заправки его топливом, замены колёс с шинами, смены водителей, а так же проверки технического состояния автомобиля и если требуется, то возможного ремонта.
Наверняка многие из вас видели пит-стоп в гонках Формула-1 и видели, как во время пит-стопа все колёса болида Формулы-1 меняются за считанные секунды. Такой скорости замены колёс болида Формулы-1 удаётся достичь не только благодаря согласованной работе всех членов команды механиков, но и благодаря ещё двум вещам, без которых это было бы не возможно:
Колёсная гайка
В отличие от обычных автомобилей, колёса которых крепятся к ступице несколькими длинными болтами, колёса болида Формулы-1 крепятся всего одной специальной гайкой. Более того, в современных болидах Формулы-1 эту гайку возможно только либо закрутить, либо открутить, но невозможно полностью извлечь из колеса. То есть, старое колесо болида Формулы-1 демонтируется вместе с гайкой, после чего на его место монтируется новое со своей гайкой, которую механикам остаётся только закрутить. Интересно и то, что гайки закручиваются в обратную от вращения колеса сторону, что не даёт им открутиться в том случае, если в спешке их закрутили недостаточно хорошо. Благодаря этому гайка сама дозакручивается во время движения на большой скорости.
Пневматический гайковёрт
Само собой разумеется, что для быстрого откручивания и закручивания описанных выше специальных гаек требуется не менее специальный инструмент и такой инструмент есть. Этим инструментом является пневматический гайковёрт, но он немного не такой, как пневматические гайковёрты, применяемые на обычных шиномонтажах.
Во-первых, кроме того, что пневматический гайковёрт для откручивания и закручивания гаек колёс болидов Формулы-1 оснащён специальной насадкой, скорость вращения его шпинделя составляет 13 000 оборотов в минуту, а крутящий момент 3 500 Нм.
Во-вторых, после того, как механик открутил гайку, пневматический гайковёрт автоматически переключается в режим закручивания, что существенно экономит время.
В-третьих, все пневматические гайковёрты для Формулы-1 производит только Dino Paoli, итальянский разработчик и производитель различных типов гайковёртов для автомобильного спорта. Стоимость одного такого пневматического гайковёрта в среднем составляет около 9 000 американских долларов.
Задачи механиков команды Формулы-1
Во время пит-стопа для замены колёс болида Формулы-1 вокруг него собирается команда из двадцати механиков и у каждого из них своя задача.
Двое механиков с домкратами, находящихся спереди и сзади, отвечают за подъём и опускание болида. Ещё двое находятся по бокам болида и обеспечивают его поперечную устойчивость в то время, когда он поднят и идёт процесс замены колёс.
Непосредственно для демонтажа старых и монтажа новых колёс болида задействуются ещё двенадцать механиков, по три на каждое колесо. Один работает пневматическим гайковёртом, другой убирает старое колесо, а третий подаёт новое.
Кроме них ещё два механика прочищают воздухозаборники болида и проверяют целостность его аэродинамического обвеса. Так же ещё один механик стоит с огнетушителем и последний это старший механик, выпускающий болид с пит-стопа на гоночную трассу после того, как убедится, что все необходимые работы успешно завершены.
Стоит отметить, что в зависимости от требуемых работ количество задействованных на пит-стопе механиков и обязанности некоторых из них могут отличаться.
Скорость и рекорд замены колёс болида Формулы-1
В среднем замена колёс болида Формулы-1 занимает от 2,5 до 3,0 секунд, а мировой рекорд составляет 1,82 секунды. Рекорд был установлен командой Red Bull Racing в 2019 году.
Происшествие в боксах команды Red Bull Racing во время Гран При Германии заставило пристальнее взглянуть на то, за счет чего в последние сезоны командами стали удаваться рекордно быстрые пит-стопы. Крэг Скарборо изучил эволюцию этого 'таинства' и узнал, что же позволяет командам проводить смену всех четырех колес за пару секунд.
Специальная подготовка механиков
Секреты двухсекундных пит-стопов в Ф1
В каждой команде есть бригада механиков, состоящая почти из 20 человек. За замену каждого колеса отвечают трое, двое работают с домкратами, остальные готовы к решению любых сопутствующих задач.
Все они проходят специальную подготовку для выполнения конкретной задачи, причем к этому процессу в командах подходят столь же серьезно, как и к обучению пилотов. Механикам нужно поддерживать себя в хорошей физической форме и соблюдать диету. Они постоянно тренируют процедуру проведения пит-стопов, как на базе команды, так и во время гоночного уик-энда, повторяя весь процесс сотни раз, пока он не будет происходить на уровне рефлексов.
Несмотря на то, что они отрабатывают нестандартные ситуация, как, например, поломка гайковерта, во время двухсекундного пит-стопа у них нет и мгновения, чтобы посмотреть на других. Нередко бывает так, что допущенную ошибку еще не успели заметить, а пилоту уже дают сигнал ехать дальше, как это было на Нюрбургринге.
Колесные гайки
Колесо Ф1
Сами колеса и их гайки сильно отличаются от тех, что использовались в Формуле 1 еще несколько лет назад. Каждое колесо одевается на ось со специальными направляющими, устроенными так, что оно сразу занимает требуемую позицию, не требуя никакой подгонки.
Команды пытаются всеми силами сократить время, которое уходит на закручивание гайки, за счет уменьшения длины резьбовой части. Для примера, крепежная гайка на Ferrari F138 окончательно затягивается за три полных оборота.
Специально обработанная 'направленная' поверхность позволяет обеспечить оптимальный контакт между гайкой и гайковертом, что позволяет надежно передать вращающий момент и затянуть гайку.
Сами по себе колесные гайки сейчас имеют свободную посадку. Это означает, что они лишь частично закреплены на оси установленного колеса и удерживаются при помощи уплотнительных или стопорных колец. Такие гайки стоят недешево и обычно используются лишь один раз.
Технический регламент требует, чтобы даже в закрученном состоянии гайки удерживались на оси фиксирующим механизмом. Раньше в конструкции использовался фиксатор, вытягивающий удерживающий штифт с оси. Его приводил в действие механик: болельщики с некоторым стажем наверняка помнят резкий короткий жест, которым прежде завершалась смена колеса. Это могло приводить к ошибкам, когда механик поднимали руку одновременно с вытягиванием фиксатора, и пилот мог тронуться с места в момент, когда удерживающий механизм еще не сработал.
В наше время для фиксации гайки используется система, не требующая вмешательства механика. Разъем гайковерта вдавливает специальные подпружиненные штифты в ступицу, что позволяет освободить гайку. При установке гайки те же штифты 'отстреливают' обратно непосредственно перед тем, как она встанет на место. Эти штифты в действительности не в состоянии удержать колесо - если гайка разболтается, вес машины и центробежная сила в конце концов ослабят механизм.
При использовании такой системы механик может проверить визуально, что гайка находится на месте и фиксатор сработал, только после того, как снимет разъем гайковерта с оси. Мы не раз становились свидетелями ситуаций, когда механик сначала сигнализирует, что завершил работу, а потом, заметив, что гайка не зафиксирована, начинает судорожно размахивать руками.
Гайковёрты
Гайковёрт Формулы 1
Команды Формулы 1 используют пневматические гайковерты с ударным эффектом, что позволяет быстро затягивать и снимать крепежные гайки. Все они собираются вручную по высоким стандартам с минимальными допусками.
В прошлом году Mercedes с выгодой использовала в качестве рабочего тела пневматических гайковертов гелий, посчитав его более эффективным по сравнению со сжатым воздухом. Но сейчас такая практика запрещена, и это указывает, насколько важна мощность гайковертов.
Сейчас команды могут использовать специальные датчики, фиксирующие вращающий момент, эти данные позже можно проанализировать. Текущий регламент запрещает применение подобных устройств в режиме реального времени, поэтому только по завершению пит-стопа механики могут убедиться в достаточно надежном креплении всех колес.
Зато разрешено использовать специальную кнопку на гайковерте, которая связана с системой сигнальных огней и информирует о том, что механик завершил свою работу. Еще один вариант – поднятая вверх рука, её смысл точно такой же. Однако требования к высокой скорости проведения пит-стопа приводят к тому, что механик поднимает руку или нажимает на кнопку прежде, чем реально убеждается, что колесо зафиксировано четко, и выезд автомобиля будет безопасным.
Домкраты
Передний домкрат Ferrari
Cейчас в Формуле 1 запрещены домкраты, установленные внутри автомобиля или приводимые в действие сторонним источником энергии, поэтому команды могут полагаться только на физическую форму своих механиков, в обязанности которых входит быстрый подъем автомобиля.
Домкраты имеют специальный механизм, который позволяет одним нажатием на рычаг мгновенно сбросить машину на асфальт. Эта процедура занимает меньше времени, чем подъём автомобиля.
Механику, работающему с передним домкратом, нужно быстро убрать его с пути пилота, а также отскочить в сторону самому. Поворотные домкраты прочно вошли в обиход всех команд.
Опустить машину вниз можно чуть раньше, не дожидаясь, когда все колеса будут закреплены. Достаточно, чтобы они просто оказались на оси, поскольку крепежная гайка может быть нормально затянута, даже если автомобиль стоит на земле. Таким образом, пилот не должен реагировать на действия механика с домкратом: даже если машину уже опустили, это вовсе не обозначает, что можно начинать движение.
Система сигнальных огней
Сигнальные огни в боксах Формулы 1
Ferrari была первой командой, которая стала использовать систему сигнальных огней, позволяющую частично автоматизировать процесс информирования пилота о моменте, когда можно начать движение. Подобные устройства можно напрямую подключить к гайковертам механиков, но активация все равно происходит в ручном режиме.
Если в будущем такие системы позволят сделать более функциональными, процесс подачи сигнала гонщику можно будет усовершенствовать, используя непосредственные сигналы с гайковертов, узлов крепления колес и даже с датчиков, которые обнаруживали бы на пит-лейне приближающийся сзади автомобиль.
Правда, если полностью автоматизировать такой процесс, то он может работать некорректно, например, среагировать на ошибку датчика или случайное срабатывание контакта на гайковерте. В результате пилот вынужден будет терять лишнее время на пит-стопе или, наоборот, преждевременно тронуться с места.
Подвеска шасси Формулы 1 являет собой сложную совокупность множества элементов и играет огромную роль в деле настройки машины. Чем подвеска гоночной техники отличается от обычных серийных автомобилей, и за счет чего в этой области можно добиться прорыва? Почитаем вместе.
Основной задачей подвески любой машины является соединение ее корпуса и колес. Это довольно банальное определение, но саму конструкцию подвески таковой не назовешь, поскольку контролировать перемещение в пространстве тяжелого объекта – такого, как машина, – да еще и на огромных скоростях – задача не из тривиальных.
На обычном серийном автомобиле подвеска выполняет ровно две функции: обработка неровностей поверхности и обеспечение комфорта пилотирования в динамике.
Первая функция, как ясно из названия, заключается в том, чтобы шасси справлялось с выбоинами и ухабами, изменениями развала и так далее. Подвеска призвана рассеивать энергию, создаваемую при езде по неровностям, и отвечает за равномерное распределение сцепления между всеми четырьмя колесами машины.
Вторая функция подвески связана с динамикой перемещений автомобиля в ответ на действия водителя – к примеру, как он ведет себя на торможении или во время смены направления.
Подвеска машины Формулы 1, по сути, выполняет те же две функции, но под совершенно иными нагрузками. Да и приоритеты разные. В серийных авто, допустим, комфорту водителя уделяется едва ли не первостепенное внимание, тогда как в гоночной технике этот аспект далеко не так важен.
Помимо двух основных функций подвески, которые в той или иной степени совпадают для серийных и гоночных автомобилей, во втором случае добавляется еще так называемый контроль горизонта. Эта функция напрямую вытекает из того, что гоночные машины, и в частности шасси Формулы 1, большую часть времени находятся под действием огромной прижимной силы. На больших скоростях прижим машины Ф1 в несколько раз превосходит ее вес. Таким образом, подвеска вынуждена справляться с невиданными нагрузками, исчисляющимися тоннами. И не только справляться, но при этом создавать необходимый аэродинамический баланс.
В плане эффективности общей концепции аэродинамики шасси первостепенную роль играет положение машины относительно дорожного полотна. Достаточно поднять или опустить днище на пару миллиметров, и профиль воздушного потока кардинально поменяется, что существенно снизит эффективность таких важных элементов с точки зрения аэродинамики, как днище и диффузор.
Таким образом, на подвеску машины Ф1 ложится обязанность по обеспечению необходимого крена шасси и высоты дорожного просвета в каждой точке днища. Только так можно обеспечить максимальную эффективность аэродинамики в условиях изменяющихся скоростей и прижимной силы. Всё это вместе инженеры и называют контролем горизонта – одной из важнейших функций подвески гоночной машины.
Принципиально подвеска на машинах Больших Призов и на серийных авто не отличается – все четыре колеса подрессориваются независимо. При этом на шасси Ф1 элементы подвески условно делятся на три группы: внутренние элементы подвески, которые крепятся на шасси, внешние – на колесе, и центральные – подверженные набегающему воздушному потоку.
Внутренние компоненты часто спрятаны от глаз наблюдателей и включают в себя пружины, амортизаторы, рокеры и стабилизатор поперечной устойчивости. К примеру, на шасси Mercedes W10 сжатие по большей части обеспечивается пневматически – за счет газовых амортизаторов. В свою очередь эти внутренние элементы соединяются с элементами центральной секции подвески, такими как рычаги, тяги, толкатели и рулевые тяги. Эти компоненты крепятся к внешним элементам подвески: колесной стойке, оси и подшипникам.
Mercedes производит все без исключения детали подвески собственными силами. Это позволяет команде гарантировать высшее качество исполнения элементов и необходимую гибкость реакции на требуемые изменения.
Составляющие подвески, спрятанные внутри шасси, в основной своей массе выполнены из металла, тогда как почти вся центральная секция конструкции, за исключением узлов соединения, сделана из углеволокна. Внешние детали подвески также в основном металлические.
На первый взгляд может показаться, что подвеска – не самая сложная часть автомобиля, но на самом деле ее производство занимает очень много времени. К тому же, это одна из самых дорогостоящих составляющих шасси.
Элементы подвески должны выдерживать значительные нагрузки. Из-за частого преодоления гоночной машиной неровностей дороги и высоких поребриков элементы подвески просто обязаны быть достаточно жесткими и крепкими, чтобы не сломаться самим и не сломать детали вокруг.
К примеру, карбоновые тяги и толкатели в действительности обладают очень большой прочностью на компрессию и нагрузку и способны выдерживать применение силы свыше 10 килоньютонов. В то же время конструкция подвески машины Ф1 должна быть легкой – как и все остальные ее составляющие.
Кроме того, элементы центральной секции подвески, которые встречают набегающий поток воздуха, необходимо делать достаточно тонкими с преобладанием аэродинамического профиля, чтобы снизить их уровень лобового сопротивления. Но сделать всю конструкцию миниатюрной никак нельзя, поскольку те же рычаги подвески должны быть весьма объемными, чтобы вмещать в себя тросы удержания колеса на случай аварии.
Нахождение оптимального баланса между всеми этими требованиями к подвеске (жесткость, прочность, компактность и низкий вес) – задача не из легких, и именно из-за этого процесс проектирования и производства подвески в Формуле 1 считается одним из самых трудоемких.
К тому же, каждая трасса календаря предъявляет собственные требования к настройке подвески, что оказывает существенное влияние на регулировки машины в целом. Путем изменения развала и схождения подвески инженеры способны довольно быстро повлиять на пятно контакта всех четырех колес с дорогой, а также повысить управляемость шасси и сцепление. Подобные настройки обычно делаются при помощи регулировки геометрии подвески – использования металлических проставок или элементов подвески с измененной длиной звена.
Что касается контроля горизонта, то здесь механики зачастую обходятся изменением жесткости пружин, но может потребоваться регулировка давления газа в амортизаторах или замена металлических компонентов на элементы другой жесткости.
Команды Формулы 1 периодически на протяжении сезона меняют элементы подвески на своих машинах. Причин на то может быть множество, но главная из них – износ деталей. Каждая составляющая конструкции обладает собственным жизненным циклом и структурной устойчивостью, и на каждом этапе инженеры внимательно следят по телеметрии за состоянием всех без исключения деталей подвески. Когда подходит срок, "уставшие" компоненты меняют.
Еще одним поводом для смены комплектующих подвески является обновление аэродинамической концепции шасси. Вся центральная секция конструкции подвержена воздействию набегающего воздуха, поэтому во время обновления шасси чаще всего следует замена элементов подвески.
Также команда может подготовить особую спецификацию подвески для конкретной трассы, обладающей уникальными требованиями. Одной из таких трасс является Монако с ее знаменитой шпилькой Fairmont (также известной как Loews). Здесь пилоты вынуждены до упора выкручивать руль, а колеса поворачиваются на 40% больше, чем в шпильке в Канаде.
Этот поворот настолько крутой и узкий, что традиционная конструкция передней подвески просто не позволила бы вывернуть колеса на требуемый угол – пилотам пришлось бы несколько раз поворачивать руль. Таким образом, в Монако Mercedes решила проблему этой необычной шпильки путем изменения геометрии рычагов подвески, чтобы они не мешали колесам довернуться на нужный угол.
Прорыв за счет подвески
В команде Mercedes признали, что своим техническим прорывом в нынешнем сезоне по большей части обязаны изменению конструкции подвески, причем как передней, так и задней.
В этом году действующие чемпионы мира серьезно прибавили в плане прохождения медленных поворотов, чем раньше похвастать не могли.
В области передней подвески команда перешла на решение с двойными кронштейнами. За счет уменьшенной длины толкателей инженерам удалось заставить носовой обтекатель "нырять" при достижении близкого к предельному углу поворота колес. Это повысило аэродинамическую эффективность шасси в целом и помогло больше нагрузить передние колеса.
Но в команде не остановились на обновлении передней подвески. Сзади Mercedes представила очень интересное решение, которое можно рассмотреть на рисунке Джорджио Пиолы выше. Здесь представлен вид снизу, а красной стрелкой указано направление движения шасси.
Как мы видим, в команде прибегли к концепции многорычажной компоновки, которую ранее представила Red Bull на передней подвеске своего шасси.
Цифрой 1 на рисунке обозначено переднее колено нижнего рычага подвески, 2 – переднее колено верхнего рычага, а 3 – тяга.
Но более интересную геометрию мы наблюдаем в задней части конструкции. Цифрой 4 здесь обозначена точка перехода обшивки рычага подвески в приводной вал. Основная же часть рычага проходит через точку 5, тогда как углеволоконный кожух имеет характерную прорезь на некотором удалении от центра для более жесткого управления воздушным потоком.
Это изменение в концепции привело не только к нормализации температурного режима задних колес, с чем раньше у Mercedes были проблемы, но и улучшило аэродинамику шасси в целом.
Нынешняя задняя подвеска W10 выстраивает воздушный поток благоприятным образом для оптимизации работы диффузора, при этом геометрия элементов повышает прижимную силу в этой области без увеличения уровня лобового сопротивления.
Согласно регламенту, количество элементов подвески не должно превышать шести на каждое колесо, при этом традиционный рычаг считается за два элемента. В Mercedes поступили умно, фактически включив тягу, которая удерживает заднее колесо в горизонтальной плоскости и отвечает за схождение, в состав рычага подвески.
Всегда очень интересно следить за тем, какие новинки команды Ф1 представляют в области подвески, но настоящая головная боль инженеров будет ожидать при проектировании этого узла для машин сезона-2021, когда в Большие Призы придут низкопрофильные шины.
Это будет настоящий вызов для команд. Интересно, кто справится лучше.
Перевел и адаптировал материал: Александр Гинько
Читайте также: