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".
Картинка кликабельна
Гоночный автомобиль "Формулы-1" получил свое название по особому рецепту топлива, которое в нем используется. У такого автомобиля двигатель намного мощнее, чем у обычной легковушки. Рост мощности достигается за счет увеличения объема двигателя, то есть полного объема камер сгорания в его цилиндрах.
Двигатель средней мощности для легкового автомобиля имеет объем не более 61 кубического дюйма. "Формула-1" может иметь в три раза больший объем двигателя и развивать мощность в 500 лошадиных сил (л.с), что вчетверо и даже впятеро превосходит мощность обычного легкового автомобиля.
Чтобы полнее использовать огромную мощность двигателя, корпуса гоночных автомобилей имеют специальную аэродинамическую форму, призванную обеспечить минимальное сопротивление воздуха. Шины их колес делаются сверхширокими - для лучшего сцепления с дорогой и, следовательно, более безопасного движения. Особая подвеска обеспечивает устойчивость и противодействует заносу автомобиля даже тогда, когда он совершает крутые виражи на большой скорости.
Гоночный автомобиль "Формула-1"
Автогонщику достаточно одного взгляда на приборный щиток в кабине, чтобы знать, какой в автомобиле запас топлива, температура воды, давление масла и другие параметры.
Сверхмощные дисковые тормоза из углеродного волокна (ниже) должны выдерживать огромную тепловую нагрузку при работе на гоночных скоростях.
Кузов для быстрой езды
Низкие, широкие корпуса гоночных автомобилей отлиты из легкого, но прочного углеродного волокна. Форма их кузова такова, что помогает автомобилю использовать воздушный поток, который образуется при высоких скоростях. Скошенный передний край (ниже, слева) и задние обтекатели - спойлеры заставляют воздух давить на автомобиль вниз и не дают ему оторваться от земли.
Шины гоночного болида
Шины должны соответствовать дорожным условиям. Шины гоночных автомобилей шире обычных и могут быть почти гладкими - для сухих треков. Или иметь специальный протектор на случай дождя.
Двигатель гоночного болида
Чтобы двигатель был одновременно мощным и экономичным, в гоночных машинах на него устанавливают (рисунок ниже) компьютерную систему впрыска топлива и электронные регуляторы частоты вращения двигателя, температуры воды и масла и других важных параметров.
Десять цилиндров придают мощность этому специальному двигателю, предназначенному для гоночных автомобилей.
Гоночный автомобиль "Формулы-1" (на верхнем рисунке) мчится намного живее легкового автомобиля и выделяет куда больше тепла. Чтобы снять избыточное тепло, радиатор автомобиля охлаждается воздушным потоком (рисунок ниже), когда гоночная машина с ревом мчится по треку со скоростью, близкой к 180 миль в час.
Особая подвеска гоночной машины
Подвеска гоночных автомобилей должна обеспечивать надежное сцепление колес с дорожным полотном на поворотах при большой скорости.
В теории покрышки "Формулы-1" не так уж и пухлы - в переводе на привычный продавцам и покупателям шин язык размерность передних сликов составит 270/55 R13, а задних - 325/45 R13. Для сравнения - в прайс-листе на дорожные шины Pirelli P Zero (чрезвычайно популярные среди владельцев суперкаров) можно найти немало вариантов с профилем 40-45. Но есть один нюанс: измеряем мы профиль в процентах "толщины" покрышки к ее ширине, а видим миллиметры, отделяющие поверхность шины от края колесного диска. А по этому показателю разница ощутима. К примеру, "толщина" той же Pirelli P Zero при размерности 225/45 R17 составит около 100 мм, а задних шин для "Формулы-1" - 165 мм. То есть диаметр гоночной шины будет больше всего на 4 %, а ее "толщина" - сразу на 65 %.
Диски диаметром 13 дюймов также не слишком хорошо рифмуются со статусом самых престижных и самых дорогих гонок в мире - ведь автопроизводители нынче в такой обувке и бюджетную модель на дорогу не выпустят (разве что какой-нибудь Ravon R2, ранее известный как Daewoo Matiz). Причем в сфере резины "Формула-1" уже давно не указ другим турнирам и гоночным категориям: что спортпрототипы в гонках на выносливость, что электрические болиды в турнире "Формула-Е", что грозные карбоновые Audi и Mercedes в чемпионате DTM - все ездят на 18-дюймовых дисках с "тонкими" покрышками. Почему же в королевских гонках до сих пор хватаются за крохотные колеса и "пухлые" шины?
Прошлым летом Pirelli, в настоящий момент - монопольный поставщик шин для "Формулы-1", в порядке эксперимента разработала "тонкую" шину под диск диаметром 18 дюймов. На тестах она оказалась на девять секунд с круга медленнее привычной "пухлой" шины.
Вариантов ответа на этот вопрос можно найти много. Одни говорят - все дело в жадности: чем "толще" шина, тем большего размера логотип можно разместить на боковине - поэтому против перехода на низкопрофильную резину выступают производители покрышек. Другие утверждают, что Международная автомобильная федерация таким образом косвенно сдерживает рост скоростей: мол, чем меньше колесный диск - тем компактнее должны быть тормоза, тем меньше их эффективность и тем меньше у создателей болидов мотивации делать их исключительно быстрыми. Обе этих версии - типично народные. Чиновникам от автоспорта столь хитрыми маршрутами ходить необязательно - при желании ограничить эффективность тормозов, они могут просто установить предельные их размеры или запретить применении определенных решений и материалов. Что же касается размеров логотипа, то Пол Хэмбри, руководитель гоночных программ Pirelli, упомянул об этом аспекте проблемы скорее в шутку - причем сделал это во время презентации… экспериментальных низкопрофильных покрышек для "Формулы-1".
Более проницательные люди напоминают, что даже в чемпионате, где пит-стопы длятся меньше двух секунд, нельзя просто взять и привинтить к современным болидам "Формулы-1" колеса, размером радикально отличающиеся от нынешних. Для начала при увеличении диаметра колесных дисков до 18 дюймов, комплект колес будет весить почти на 35 кг больше, чем сейчас (такие подсчеты некоторое время назад опубликовала одна из шинных компаний). Что увеличит не только неподрессоренные массы - чего создатели быстрых машин вообще-то стараются избегать, - но и нагрузку на коробку передач. Плюс нельзя забывать, что покрышки в каком-то смысле являются элементом подвески автомобиля. Особенно "пухлые" покрышки, которые гораздо активнее, чем низкопрофильные шины с жесткой боковиной, участвуют в поглощении импульса при наезде на кочку и распределении центробежной силы в повороте (в обоих случаях играя роль пружины). "Если просто поменять одни колеса на другие, машины просто нанчут мести хвостами как дрифт-кары, - предположил в свое время Хироде Хамашима, возглавлявший формульную программу марки Bridgestone, - Разница в уровне сцепления с трассой будет более чем значительной".
Время от времени команды "Формулы-1" создают виртуальные болиды - своего рода фантазии на тему, как гоночные автомобили будут выглядеть лет через двадцать (на фото - проект MP4-X команды McLaren). Примечательно, что все эти гоночные машины будущего обуты именно в большие колесные диски с низкопрофильными покрышками...
С одной стороны, инженерными вызовами конструкторов "Формулы-1" пугать глупо: дайте им достаточное количество денег и ресурсов - и через полгода даже на квадратных колесах болид поедет быстрее, чем в прошлую пятницу. Но в том-то и дело, что деньги и ресурсы в современной "Формуле-1" стараются по возможности экономить. А потратить их по-прежнему есть куда: то переход на гибридные силовые установки объявят, то высоту носового обтекателя ограничат - только успевай поворачиваться. В этих условиях мало кому из конструкторов понравится вносить серьезные изменения в конструкцию подвески, что обязательно повлечет за собой необходимость "допиливать" аэродинамику, модернизировать тормоза и так далее, и тому подобное. Одним словом, нет каких-либо судьбоносных причин, полностью исключающих отказ от "пухлых" шин в обозримом будущем. И всерьез этот вопрос не поднимается, потому что и без него и командам "Формулы-1", и компании-поставщику шин в целом есть, чем заняться и куда потратить имеющиеся деньги.
P.S. АвтоВести до сих пор не ответили на простой вопрос, интересующий лично вас? Тогда оставьте этот вопрос в комментариях. Но не забудьте перед этим свериться с материалов этой рубрики.
Формула-1 - спорт передовых технологий, многие из которых впервые появляются именно здесь, оттачиваются и доводятся до совершенства, чтобы потом найти свое применение в массовом автопроме.
Одним из очень важных моментов любой гонки в Формуле-1 являются питстопы - обязательная процедура для любого гонщика по замене шин во время гонки. Таковы правила - хотя бы один раз гонщик должен заехать в боксы для замены шин. Эта процедура занимает дополнительное время, т.к. нужно тратить время для заезда на питлейн, движение по нему (скорость ограничена до 100, 80, а на некоторых треках и 60 км/час) и на саму замену колес.
Естественно, когда на трассе ты борешься за доли секунды, потеря времени во время пит-стопа может оказаться катастрофической в плане результатов гонки, особенно когда ты борешься за лидерство. Поэтому пит-стопы в Формуле-1 научились проводить за считанные секунды в буквальном смысле слова.
Не знаю, дойдет ли технология замены колес за три секунды до обычных шиномонтажей, но как это делается в Формуле-1, предлагаю посмотреть ниже
2. Сначала о колесах.
Используются 3 вида шин: слики для сухой трассы, микст («промежуточная резина») для слегка влажной и дождевая для мокрой. Дождь является скорее исключением для Формулы-1, поэтому чаще всего используются шины для сухой трассы.
Резину в Формуле-1 поставляет поставщик, с которым FOM подписала контракт.
Последние несколько лет это известная компания Pirelli.
На каждый этап для каждого гонщика привозится ограниченное количество комплектов резины дух составов (всего существует четыре состава сликов - жестки, средние, мягкие и супермягкие).
Шины непосредственно перед тем, как ставить на машины, хранятся в специальных чехлах, где их прогревают для нужной температуры.
Из-за очень высоких скоростей на трассе, быстрый прогрев шин имеет решающее знаычение, т.к. на холодных шинах значительно ухудшается сцепление с трассой, а следовательно, возрастает уровень опасности для гонщика и падает время прохождения круга погтрассе
3. Каждай команда сама маркирует свои шины, исходя из того, где и как она планирует использовать каждый комплект
4. Это формульные гайковерты.
Именно этим инструментом можно снять колесо за 0,8 секунд и прикрутить за те же 0,8 секунды
5. А вот так, собственно, происходит сам пит-стоп.
Для того, чтобы поменять в гонке четыре колеса примерно за три секунды, задействует 20 человек.
6. Машина в прямом смысле залетает на точку замены колес.
Здесь важно мастерство гонщика, чтобы точно остановиться в нужной точке, где механики уже наготове и ждут, чтобы вчепиться гайковертами в его колеса, а также четкие дейтвия механиков с домкратами, которые должны моментально поднять машину
7. Доля секунды - все бросаются к колесам.
В унисон звучат четыре кайковерта. Колесо убирает специальный человек, тут. же другой приставляет новое колесо.
Снова гайковерты
8. Осталось вытащить домкраты и отправить машину в гонку.
На все про все 2,5-3 секунды
Рекордом является время 1,923 секунды, устновленное командой Rad Bull при замене колес на машине Марка Веббера на Гран-При США в 2013 году
9. Но для того, чтобы так быстро и слажено заменить колеса во время гонки, команды чуть ли не ежедневно проводят рутинные тренировки
10. Иногда по часу, иногда по два..
Они просто снимают и ставят колеса, снимают и ставят.
11. Во время формульного уикенда в Сочи я наблюдал за одной из тренировок, которые проводила команда Lotus
12. Сбоку процесс выглядит несколько иначе, чем сверху.
Кажется, что много суеты и механики мешают друг другу.
Снимаем старое колесо
13. На самом деле, это не так. Все четко
Механик убирает снятое колесо
14. Ставим новое колесо
15. Все!
16. Во как это выглядит на видео
И вид сзади
17. Главный механик ведет тайминг.
Он не очень доволен. Придется снова повторять тренировку
18. Машину снова на домкраты, и снова вой гайковертов....
И так еще очнь много попыток.
А все ради выигрыша доли секунды в гонке...
За возможность побывать на первом в России этапе Формулы огромное спасибо спонсору команды Scuderia Ferrari компании