Взгляд изнутри. Подвеска машины Ф1 и прорыв технической мысли
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
Источник: https://www.pitpass.com/64813/Technical-Insight-The-suspension-of-an-F1-car
