Как это работает: подвеска машины Формулы 1

Технический директор Williams Пэт Симондс на страницах журнала F1 Racing рассказал о принципах, которыми сегодня руководствуются инженеры команд, разрабатывая подвеску.

Вопрос: Такое впечатление, что корпуса машин в современной Формуле 1 больше наклонены вперёд, чем в прошлом. Для чего это делается, и не доставляет ли это проблем конструкторам?
Пэт Симондс: Иначе говоря, речь о разнице между дорожным просветом в передней и задней части машины. В последние годы специалисты в области аэродинамики научились добиваться более эффективной работы шасси за счёт того, что подъём задней части машины позволяет повысить производительность диффузора. Дорожный просвет в передней части машины по-прежнему остаётся низким, здесь ничего не изменилось, вследствие чего продольный наклон корпуса за последние сезоны существенно увеличился. Поскольку диапазон дорожного просвета известен изначально, особых проблем для конструкторов это не создаёт.

Вопрос: Каков идеальный дорожный просвет для машины Формулы 1?
Пэт Симондс: Нет какого-то единого значения, которое идеально подходило бы для всех машин. Надо помнить, что машина Формулы 1 генерирует огромные вертикальные нагрузки, которые приходятся на подвеску, а это означает, что пружины, а также, разумеется, шины, на большой скорости сильно сжимаются, поэтому дорожный просвет уменьшается по мере того, как машина разгоняется.

Именно поэтому вы видите, как от титановых пластин из-под днища машины на скоростях, близких к максимальным, летят искры. Передний дорожный просвет мы выставляем, когда машина находится в статичном состоянии, и выбираем такие сочетания жёсткости элементов подвески, чтобы на максимальной скорости передняя часть контрольной планки лишь слегка чиркала по асфальту. В задней части оптимальная величина клиренса выбирается с таким расчётом, чтобы генерировалась максимально возможная прижимная сила. Когда машина в статичном состоянии, обычно мы выставляем дорожный просвет так, чтобы он был оптимальным в самых важных поворотах трассы с учётом сжатия пружин и шин.

Вопрос: Влияет ли изменение дорожного просвета на аэродинамику?
Пэт Симондс: Мы часто оперируем таким понятием, как коэффициент прижимной силы, сокращённо Cl, но на самом деле этот показатель отражает намного более сложные аэродинамические параметры.

В зависимости от каждого значения угловой ориентации машины, что является комбинацией продольного и поперечного наклона корпуса, а также угла увода, аэродинамические силы действуют по-разному. Мы фиксируем действие этих сил в ходе исследований в аэродинамической трубе, а затем применяем простые математические расчёты для вычислений так называемого средневзвешенного значения. В результате комбинация действия различных сил выражается одним числом.

В реальности при прохождении поворота по определённой траектории значения угловой ориентации постоянно меняются в зависимости от воздействия на машину различных сил и её реакции на эти силы, связанной с работой подвески. Это в свою очередь отражается на воздействии аэродинамических сил и балансе машины в повороте – следовательно, настройки подвески действительно оказывают на аэродинамику машины очень существенный эффект.

Вопрос: Общепринятый подход к конструированию подвески машин Формулы 1 такой: впереди используются рычаги, а сзади – тяги. Почему?
Пэт Симондс: С точки зрения кинематики рычаги и тяги – одинаковые элементы. Это простые механизмы для передачи движения от ступицы на узлы подвески, состоящие из пружин и амортизаторов. В разные годы эти схемы использовались по-разному, поскольку меняющиеся требования технического регламента заставляли конструкторов пробовать разные варианты компоновки.

Действующий регламент вполне нейтрален и не диктует предпочтений в пользу того или иного варианта в передней части машины, но сзади мы стремимся добиться, чтобы верх и стороны корпуса коробки передач никак не влияли на аэродинамику. Поэтому пружины и амортизаторы располагаются ближе к картеру КПП, и в этом случае они работают эффективнее, когда взаимодействуют с тягами.

Вопрос: В машинах Формулы 1 используются традиционные пружины и амортизаторы?
Пэт Симондс: Мы применяем разные типы пружин. По углам шасси могут устанавливаться торсионы, тогда как в центральной его части может стоять витая цилиндрическая пружина, тарельчатая пружина или упругий резиновый элемент. Газовые пружины тоже применяются. Пожалуй, сейчас всё это используется в некоем разумном сочетании.

Мы применяем гидравлические амортизаторы, но при этом они устанавливаются на машине в сочетании с устройством, которое называется инерционный демпфер. В отличие от традиционного гидравлического амортизатора, который генерирует силу, пропорциональную скорости перемещения его противоположных концов, инерционный демпфер генерирует противодействие, пропорциональное ускорению, с которым концы амортизатора перемещаются относительно друг друга.

В дополнение к этим более-менее традиционным элементам в подвеске машины Формулы 1 применяются и другие устройства. Системы, регулирующие взаимодействие передней и задней подвески, попали под запрет, тем не менее, можно встретить ряд гидравлических элементов, которые позволяют менять баланс машины при прохождении поворотов или снижать аэродинамическое сопротивление на прямых.

Вопрос: Какие факторы можно считать определяющими при выборе геометрии подвески?
Пэт Симондс: Думаю, концепций идеальной подвески столько, сколько машин на стартовом поле, и в наши дни её геометрия определяется тем, что конструкторы пытаются найти возможность повысить эффективность аэродинамики. Например, обычным делом стало то, что в задней части машины нижние треугольные рычаги устанавливаются параллельно приводным валам.

Хотя это влияет на кинематику и создаёт конструктивные сложности, такие схемы получили распространение, поскольку аэродинамические преимущества от их применения перевешивают проблемы, с ними связанные.

Вопрос: Почему подвеска машины Формулы 1 такая жёсткая? Это позволяет добиться более высокого сцепления с трассой?
Пэт Симондс: Если говорить о силах, действующих на шины, то вообще-то жёсткая подвеска снижает сцепление с асфальтом во всех случаях, кроме трасс с идеально гладкой поверхностью, однако доминирующим является фактор аэродинамики, и преимущество жёсткой подвески в том, что она позволяет поддерживать стабильную аэродинамическую платформу.

Вопрос: В своё время у машин Формулы 1 были очень сложные системы активной подвески. Как вы полагаете, могут ли они когда-нибудь вернуться?
Пэт Симондс: Вероятно, в гонках мы их больше не увидим. Они были сложными, но на самом деле не сложнее, чем пассивные системы, используемые сегодня. Но в последнее время команды действительно обсуждали, а не дешевле бы нам было разрабатывать и производить активную подвеску, чем ту, что применяется сейчас.