Подвеска автомобиля формула 1

Ручки да ножки

Как работает подвеска болида Формулы 1 – Часть 1

Мы уже ознакомились с передним антикрылом болида Формулы 1. Продолжаем копаться во внутренностях самой быстрой автогоночной машины. Настало время поговорить о подвеске.

Три кита

Снаружи подвеска кажется довольно простой. Она выполняет несколько функции. Во-первых, поглощает неровности и ухабы трассы, обеспечивая при этом равномерное распределение сцепления колес. Во-вторых, подвеска регулирует поведение шасси на торможении, при ускорении и изменении направления движения. В-третьих, главное – подвеска призвана правильно расположить шасси относительно потоков воздуха.

Подвеска испытывает колоссальные вертикальные нагрузки — буквально в несколько тонн на высоких скоростях. Положение шасси относительно поверхности необходимо контролировать, поскольку оно значительно влияет на аэродинамику. Болид Ф1 очень сложный. Изменение положения на один миллиметр существенно изменяет движение потоков воздуха и может сделать днище и диффузор менее эффективными. Поэтому важно контролировать клиренс и угол наклона, чтобы заложенные проектом решения раскрыли свой потенциал.

У болида достаточно жесткая передняя подвеска и чуть мягче задняя, поскольку задние колеса приводят машину в движение. Это связано с тем, что необходимо постоянно обеспечивать сцепление шин с трассой, несмотря на все неровности.

Чтобы это все работало, подвеска состоит из многих деталей. Их можно разделить на три группы: внутренние, внешние и подверженные воздействию потоков воздуха. К первой группе относятся торсионы, амортизаторы, стабилизаторы поперечной устойчивости. Они соединены с элементами, на которые воздействует воздух: рычаги, толкатели, тяги. И уже к ним присоединяются внешние элементы (крепежи, ступицы и так далее).

У каждого колеса есть по два V-образных рычага (верхний и нижний), которые крепятся к монококу. Их форма – компромисс между динамической и аэродинамической функциями. Они напоминают крылья самолета и направляют поток воздуха, что в дальнейшем имеет существенное влияние на аэродинамические элементы болида. Передняя подвеска опускает потоки воздуха к днищу болида, задняя – поднимает для лучшего взаимодействия с диффузором. Около двух процентов прижимной силы болида создается передней подвеской, около трех – задней. Толкатели и тяги соединяют узел крепления колеса с рычагом, который расположен в середине монокока и взаимодействует со стопором, торсионом и амортизатором.

Торсион – это стержень, который скручивается. Они установлены внутри монокока по одному на каждое колесо. Один конец закреплен, а другой присоединен к коромыслу. Эти стержни закручиваются вокруг своей оси и работают лучше, чем обычные торсионы в виде пружин (рессор). Сопротивление скручиванию этих стержней «приостанавливает» инерционную массу шасси.

Газовые амортизаторы компенсируют внезапное ослабление торсионных стержней и установлены по одному на колесо. На некоторых болидах, например, Red Bull стабилизаторы поперечной устойчивости заменяют амортизаторами поперечной устойчивости. Некоторые команды используют так называемые инертеры, которые гасят колебательные скачки шин.

Стабилизатор поперечной устойчивости обычно имеет u-образную форму и служит для сдерживания поперечных движений. Он ограничивает массообмен болида и влияет на баланс машины на поворотах. Стержни изменяют жесткость в зависимости от скорости в поворотах. Они становятся жестче ближе к середине поворота и мягче – на выходе из него. Замена стабилизатора на болиде – достаточно долгий процесс.

Амортизатор вертикальной устойчивости поддерживает массообмен между передней и задней частью болида. Он контролирует «пикирование» болида на торможении и «взлет» – на разгоне, а также высоту просвета, изменяемую под действием аэродинамичной нагрузки. Этот элемент позволяет передней подвеске влиять на угол наклона переднего антикрыла относительно поверхности трассы. Он работает совместно с рулевым управлением. У Mercedes он полностью гидравлический, а у Ferrari оснащен еще и пружиной.

У Mercedes он полностью гидравлический, а у Ferrari оснащен еще и пружиной.

Таково общее строение подвески. Задача инженеров состоит в том, чтобы все эти элементы работали слаженно только с помощью механики и гидравлики – никакой электроники, поскольку активные подвески запрещены. Но это не все их проблемы…

Источник статьи: http://parabolike.com/2019/09/18/suspension

Подвигай ножками

Как работает подвеска болида Формулы 1 – Часть 2

Продолжаем копаться во внутренностях самой быстрой автогоночной машины в целом и подвески болида Формулы1 в частности. Как же работают эти сложные системы подвески…

Три противоречивых требования

Важные составляющие болида Формулы 1 — например, монокок — обычно изготавливаются на базе, а детали подвески заказываются у подрядчиков. Это дорогое удовольствие из-за стоимости материалов и продолжительности изготовления элементов. Подвеска – головная боль конструктора. Она должна отвечать трем требованиям, которые зачастую противоречат друг другу: прочность, легкость и компактность. Ничего сложного для дорожных машин, чего не скажешь о болиде Ф1.

На максимальной скорости подвеска должна быть достаточно прочной и жесткой, чтобы воспринимать удары. Поэтому толщина рычагов создает немалые проблемы. V-образные рычаги, толкатели, тяги и другие элементы изготавливаются из карбона. Они способны выдерживать немалые нагрузки. Инженеры команд отслеживают телеметрию, чтобы нагрузки не превышали допустимые. Датчики размещают в рычагах и других элементах подвески. Предельные нагрузки вычисляют расчетным методом или по данным предыдущих лет, собранных, например, во время вращения болида или на жестком торможении.

Итак, как и все составляющие машины Ф1, подвеска должна быть максимально легкой. Все рычаги, которые поддаются воздействию воздуха, включая V-образные (в них размещены страховочные тросы шин, что обусловлено требованиями к безопасности пилота), должны быть максимально тонкими.

Поскольку максимально удовлетворить каждое из требований без ущемления остальных двух невозможно, конструкторам приходится искать компромисс. Отдел аэродинамики будет запрашивать самые плоские рычаги, а конструкторы будут заботиться о жесткости. А если еще вспомнить, что окружающая среда изменчива, то необходимо также учесть и изменение характеристик материалов элементов подвески.

Еще одна головная боль

К этим трем требованиям добавляется и функционал подвески. Если ее правильно отрегулировать, то пилот получит сбалансированное распределение тяги между четырьмя колесами, а значит — и более легкий в управлении болид. И для каждой трассы такая регулировка своя.

Цель состоит в получении баланса сцепления между передними и задними колесами, а на это влияет тип поворота (медленный, средний, быстрый) и фаза его прохождения (вход, апекс, выход). И тут также не обойтись без компромисса. Пилоты часто комментируют баланс машины, потому что каждое из колес работает по-разному на отдельных участках трассы. Подвеска реагирует на любые изменения траектории и сцепления с трассой, а также за счет всех своих составляющих максимально точно контролирует баланс сцепления между передней и задней осью.

Для этого пилот с командой инженеров «играют» с множеством параметров подвески. Например, с жесткостью торсионов, стабилизаторов поперечной устойчивости, характеристиками амортизаторов, положением колес… Корректируют эти параметры за счет изменения геометрии подвески, толщины и длины элементов. Для некоторых уникальных трасс — например, для Монако — инженеры готовят специальные настройки.

Аэродинамическая эффективность

При проектировании подвески учитывают ее аэродинамические характеристики. Для каждой трассы шасси имеет свое положение относительно поверхности трека. Позиция определяется подвеской, а точнее — прогрессивной жесткостью торсионов, давлением газа в амортизаторах и прочим.

В целом, гибкую или жесткую подвеску не создают. Гибкость подвески меняется в зависимости от требований трассы: что-то среднее – для медленных поворотов, жесткость – для быстрых, гибкость – для прямых участков трассы и так далее. То есть система подвески создана таким образом, что ее гибкость меняется в зависимости от скорости болида и от типа поворота. Поэтому подвеска достаточно гибкая для замедления, жесткая на ускорении и вновь гибкая после преодоления определенной скорости. Подвеска бывает чисто механической или довольно сложной гидравлической системой.

Для аэродинамики велик соблазн сделать подвеску более жесткой, чтобы поставить болид в очень точное положение для создания высокой нагрузки на него. Но трасса не состоит только из поворотов или только из прямых, поэтому подвеска должна быть достаточно гибкой и не может удерживать болид в одном положении.

Кто-то предпочитает более эффективную аэродинамику, которая доступна только в специфических условиях. Кто-то – менее эффективную, но более однородную. Болид с более широким диапазоном установок будет иметь более низкий уровень эффективности. И наоборот – с меньшим диапазоном будет более эффективным. Работа над поисками компромисса не прекращается никогда. На таких трассах как Монако все давно известно, но на других – все зависит от концепции болида.

Гидравлическая мудреность

После запрета в 1994 году активной подвески некоторые инженеры в поисках компромисса на протяжении многих лет разрабатывают исключительно гидравлические системы подвесок. В некоторых из них даже попытались реализовать взаимодействие передней и задней подвесок. Такие подвески получили название FRIC – Front to Rear Inter Connected. Это так и переводится – взаимодействие между передней и задней частями. Их запретили в 2014 году. Такие запреты каждый раз приводят к разработке более сложных подвесок.

В 2017 году Mercedes и Red Bull создали подвески, которые накапливали энергию при поглощении ударов, а затем высвобождали ее в соответствующий момент. Например, для усиления действия амортизатора вертикальной устойчивости на торможении или при увеличении аэродинамической нагрузки.

Несмотря на запрет и этой системы, команды продолжают разрабатывать подобные системы. С каждым разом они становятся все более сложными и дорогостоящими. В пелотоне можно выделить два направления. Одни используют механическую подвеску. Другие – очень сложную гидравлическую систему, которая позволяет поддерживать шасси в определенном положении. Но и тут следует выбирать между увеличением общей эффективности и массой, сложностью и надежностью всей системы. Гидравлическая система дает больше возможностей для маневра. Механическая – более надежная и легкая.

Со сменой регламента в 2021 году появилось предложение разрешить активную подвеску, что продиктовано уменьшением расходов команда. Активная электронная подвеска дешевле гидравлической. Эту идею отвергли, а Формула 1 и FIA в ответ предложили запретить гидравлическую подвеску.

Контролируя пилотаж болида, подвеска стала еще и элементом аэродинамики, что позволяет отыграть несколько драгоценных десятых долей секунды. А это «амортизирует» астрономические суммы, потраченные на разработку этих сверхсложных систем.

Источник статьи: http://parabolike.com/2019/09/25/suspension

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.

Подвеска W10 Фото: pitpass.com

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 Фото: pitpass.com

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.

Подвеска W10 Фото: pitpass.com

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.

Задняя подвеска Mercedes Фото: F1.com

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

Mercedes Фото: AutoRacing1.com

Источник статьи: http://autosport.com.ru/features/57147-vzglyad-iznutri-podveska-mashiny-f1-i-proryv-tehnicheskoy-mysli