Как работает система FRIC, новая 'фишка' Mercedes
В Mercedes довели до ума свою систему FRIC, которая, не нарушая формально никаких правил, фактически наделяет машину аналогом активной подвески. Крэг Скарборо объясняет, как это получается
После возвращение в Формулу 1 заводская команда Mercedes не блистала выдающимися результатами, однако ей удалось разработать несколько по-настоящему удачных технических решений.
Очередной резкий рост результатов, случившийся в начале сезона-2013, вновь приковал внимание к коллективу из Брэкли. Наибольший интерес вызвало техническое решение, которое уже получило от журналистов обозначение FRIC: это комплексная подвеска, образующая единую систему.
Сама по себе подобная идея не нова – скорее, её можно назвать развитием темы, которой в Mercedes занимались еще в 2011 году. Она дает выгоду с точки зрения аэродинамики и обеспечивает преимущество в медленных поворотах подобно давно запрещенной активной подвеске, но при этом конструкция не нарушает никаких положений технического регламента.
Как в принципе работает подвеска на машинах Ф1
На современных шасси Формулы 1 подвеска вступает в дело в двух основных режимах: вертикальная раскачка и крены. Раскачка – это перемещение корпуса вверх и вниз. Когда она имеет место лишь для одной из осей машины, говорят о клевках. Как правило, вертикальная раскачка всего шасси происходит из-за сжатия элементов подвески на высокой скорости под воздействием аэродинамических сил.
Клевки случаются на разгонах и торможениях. Вспомните, как мотоцикл или дорожный автомобиль с чересчур мягкими пружинами приседает на одну из осей в моменты резкого замедления или интенсивного разгона. Здесь происходит почти то же самое.
Крены обычно возникают в поворотах, когда под действием центробежной силы подвеска с одной стороны машины сжимается, а с другой, напротив, растягивается.
В любом случае, какие-то колеса разгружаются, и их сцепление с асфальтом падает. Но куда более важно, что при любых перемещениях корпуса нарушается аэродинамика машины: все, что находится под днищем, работает в условиях, весьма далёких от идеальных. Переднее крыло и диффузор тоже теряют эффективность, когда автомобиль кренится или "клюет носом".
Наконец, так как дорожный просвет в районе передних колёс и так минимален, любое резкое торможение в состоянии уменьшить его до нуля, в результате чего будет повреждена контрольная планка. Потенциально это может привести к проблемам при прохождении технической инспекции после финиша.
На машине с традиционной подвеской все перемещения корпуса контролируются исключительно механическими компонентами. Как спереди, так и сзади могут стоять пружины и амортизаторы для каждого колеса, а также элементы, связывающие колеса одной оси. Примером последних служат стабилизаторы поперечной устойчивости, коромысла с третьей пружиной, поперечные амортизаторы или даже гасители колебаний.
Настройка таких элементов осуществляется путем замены пружин или установки амортизаторов с иными свойствами. В этом случае характеристики каждого набора хорошо известны заранее, потому все работает вполне предсказуемо.
И хотя элементы механической подвески, как правило, объединены в узлы, передняя и задняя часть машины не имеют между собой никакой механической связи. Это ограничивает возможности специалистов по динамике контролировать её поведение, приводит к повышенному износу резины и аэродинамической нестабильности.
Использование взаимосвязанной подвески в Ф1
Еще в 80-е [тогдашняя] команда Lotus первой создала работоспособную конструкцию активной подвески. Она имела электро-гидравлический привод и не содержала ни одного традиционного элемента. Затем последовала придуманная Williams 'реактивная система контроля дорожного просвета'.
Эти устройства, сложные и тяжелые, опередили свое время и вскоре вновь уступили место обычной механической подвеске. Пока время активных технологий не пришло, в командах изучали пассивные варианты. На стыке 80-х и 90-х многие занимались подобными идеями. Эдриан Ньюи недавно рассказал, что в March, где он тогда работал, пробовали соединять задний поперечный элемент с передними амортизаторами, чтобы уменьшить клевки на торможении.
И лишь когда в Williams вернулись к идее активной подвески, идея заработала. Но довольно быстро такое техническое решение попало под запрет, и командам пришлось возвращаться к прежней версии.
Большая часть запретов, наложенных тогда, и по сей день остается в техническом регламенте. Потому перед нынешними конструкторами стоит непростая задача: создать систему без активных элементов, которая не нарушала бы ни одного пункта правил.
В первой половине 90-х в Tyrrell опробовали гидравлическую систему, призванную дифференцированно реагировать на крены и вертикальные перемещения. Первоначально она работала отдельно для передних и задних колёс, но затем появились планы по разработке соединения между ними. Команда в ту пору пребывала не в лучшей финансовой ситуации, потому идея так никогда и не была реализована.
На протяжении следующего десятилетия не было никакой информации о том, что хоть одна команда ведет разработки в этом направлении.
По всей видимости, концепция вновь была возрождена к жизни усилиями Renault в 2009 году. Это было простое соединение передней и задней части машины посредством гидравлического элемента. Оно настраивалось так же, как традиционные механические компоненты, и позволяло контролировать только крены, уменьшая клевки на торможениях и "приседания" на задние колеса во время ускорений.
Идея оказалась простой и логичной и была активно заимствована. Сейчас она используется большинством команд. Но это решение едва ли можно сравнить с полноценной системой воздействия на подвеску, применявшейся в "активную" эру, так как она никак не влияла на боковые отклонения.
FRIC
В Mercedes, взяв за основу ту самую связь между передней и задней частями, разработали на её основе полноценное гидравлическое устройство, в полной мере заменяющее традиционную подвеску гоночной машины.
Оно была опробовано в 2011-м и с тех пор использовалось постоянно. Немецкие журналисты окрестили его FRIC [система взаимодействия передней и задней подвески], однако пока неясно, применяется ли данный термин в самой команде. Кроме того, тут может возникнуть определенное противоречие, так как упрощенное решение Renault также осуществляет связь между передней и задней подвеской [и потому формально тоже может быть названо FRIC].
Однако в случае Mercedes речь идет о возможности задействовать элементы каждого из четырех колес машины и контролировать как вертикальные перемещения, так и крены: по отдельности или в сочетании. То есть возможно смешанное воздействие, когда пилот тормозит и уже входит в поворот.
Концепция и реализация FRIC довольно просты. В передней и задней частях шасси смонтировано по три гидравлических элемента. Два из них связаны с соответствующими тянущими/толкающими рычагами и отвечают за контроль кренов, а третий соединяет две части машины и призван контролировать вертикальные перемещения. Все они объединены в общую систему.
"Продольный" элемент выделен на рисунке зеленым цветом, его цель - не допускать клевков и "приседаний" шасси при разгонах и на торможениях. Поперечную устойчивость в поворотах обеспечивают элементы, обозначенные желтым.
Когда пилот замедляется перед поворотом, вес перемещается вперед: передняя подвеска работает на сжатие, а задняя, напротив – на растяжение. В передней части центрального элемента возникает повышенное давление, которое направляет гидравлическую жидкость назад.
Это повышает амортизирующий эффект спереди и уменьшает в задней части машины. А значит, нос автомобиля не будет так сильно смещаться вниз. Дорожный просвет изменится не столь заметно, что позитивно скажется на работе переднего антикрыла и диффузора.
В повороте за счет центробежной силы давление во внешних элементах начнет расти – и жидкость направится во внутренние. Точно так же, как в описанном выше случае, произойдет перераспределение амортизирующего эффекта, что уменьшит крен.
Такая система заменяет традиционные пружины и амортизаторы, она принимает на себя вес машины, задействуя исключительно возможности гидравлической жидкости. Это значит, что нагрузка на элементы FRIC весьма высока. На фото передней части Mercedes со снятым носовым обтекателем видны законцовки гидравлических магистралей, снабженные специальными коннекторами, предназначенными для нагнетания внутреннего давления.
Внешне все выглядит едва ли не элементарно, но при изучении деталей становится ясно, что реализация идеи сопряжена с множеством трудностей. Прежде всего, нужно установить многочисленные клапаны контроля потока, чтобы обеспечить такую же эффективность подвески, как традиционные пружины и амортизаторы. Также требуются специальные аккумуляторы, которые должны менять объём жидкости, если будет расти или понижаться температура окружающего воздуха.
Однако сложнее всего в данном случае добиться от устройства адекватной работы, когда надо справиться с креном и вертикальным перемещением одновременно. Когда приходится иметь с ними дело по отдельности, система уверенно справляется с возложенными на неё задачами. Но все дело в том, что почти всегда шасси испытывает как продольные, так и поперечные ускорения.
Например, при жестком торможении перед медленным поворотом машина "клюёт носом", а затем, как только гонщик поворачивает руль, возникает боковой крен. Такой режим может быть назван 'перекосом'.
В этой ситуации важно, чтобы передняя часть автомобиля не слишком припадала к земле, однако небольшой крен даже полезен, так как позволит добиться более высокого механического сцепления.
В гидравлических магистралях, связывающих рабочие элементы, должны сработать клапаны, препятствующие чрезмерному перераспределению жидкости в поперечной плоскости – у команды есть возможность настраивать отклик системы в режиме 'перекоса'. Напротив, в быстрых поворотах, где торможения не столь жесткие, контроль кренов должен быть максимально эффективным, чтобы обеспечить наилучшие условия для работы аэродинамики, очень важной именно в скоростных виражах.
Путем выбора нужного режима работы клапанов система может быть настроена на самые разные условия. Пока срабатывание клапанов осуществляется лишь вследствие разницы в давлении, система остается легальной. Прелесть FRIC именно в том, что она функционирует исключительно в пассивном режиме, не требуя вмешательства извне. Все ограничения, налагаемые на активную подвеску, не затрагивают её.
Безусловно, добиться от столь сложного устройства эффективной работы непросто. И Mercedes потребовалось несколько лет болезненных неудач, чтобы отладить FRIC. Но успешное функционирование этой системы внесло не меньший вклад в хорошую скорость серебристых машин по ходу этого сезона, чем доработанная аэродинамика.
По информации AUTOSPORT, все остальные команды по-прежнему используют в подвеске механические компоненты: всевозможные стабилизаторы и торсионы хорошо видны на их машинах.
Так что Mercedes явно возглавляет работы в новом направлении. То преимущество на круге, которое в состоянии обеспечить FRIC, меняется от трассы к трассе, но в любом случае можно говорить о нескольких десятых. Потому для многих команд инвестиции, которых потребует разработка аналогичного устройства, едва ли оправдаются в сравнении с простой и надёжной механической подвеской.
