Zdjęcie główne dzięki uprzejmości Adriana z @AH_Designs1.
W przygotowaniu do przełomowego sezonu 2022 na światło dzienne powoli zaczynają wypływać nowinki przygotowane przez zespoły. Każda pogłoska o możliwym rozwiązaniu oraz każde zdjęcie są dokładnie analizowane w poszukiwaniu wskazówek na temat tego, co mogło zostać wymyślone za zamkniętymi drzwiami. Ostatnia burza medialna rozpętała się, gdy McLaren podzielił się zdjęciem nowego MCL36.
First glimpse of a 22 #F1 car?@McLarenF1 pic.twitter.com/3udfUFQagM
— Craig Scarborough (@ScarbsTech) January 7, 2022
Społeczności długo nie zajęło wywnioskowanie, że pewne cechy zdjęcia zdradzają przeniesienie się pomarańczowych na koncepcję zawieszenia pull-rod - elementu, którego w Formule 1 nie widzieliśmy od wielu lat. Niedługo później McLaren kręcąc promocyjne wideo, niezamierzenie potwierdził przejście na pull-rody.
Scrolled through the Mac start up video
— Craig Scarborough (@ScarbsTech) January 26, 2022
Not much to see
Except Zak's phone, shows the radiator and confirms the front pull rod set up. pic.twitter.com/g2r6E4tysC
Push-rod czy pull-rod?
Po medialnym szumie, jaki powstał wokół nowych bolidów, można sądzić, że wykorzystanie koncepcji pull-rod będzie game-changerem. Z punktu widzenia dynamiki bolidu koncepcje te de facto nie różnią się... niczym. Pull-rod działa identycznie do push-rodów, z tą różnicą, że całość obrócona jest do góry nogami.
Prawdziwym polem, na którym można zyskać czas okrążenia, jest aerodynamika. I to pod nią zbudowane jest zawieszenie - przez lata zespoły walczyły o jak najczystszy przepływ pod nosem, by nie zaburzyć powietrza wpadającego pod podłogę.
Stąd wysokie nosy, wyniesione ramiona wahaczy czy filozofie zero keel - specjalnej wypustki pod nosem mieszczącym elementy zawieszenia dolnych wahaczy.
Z pogłosek, jakie można usłyszeć, w 2022 wszyscy walczą o nisko schodzące nosy - a pull-rody poprzez przeniesienie dźwigni na dół nosa naturalnie temu pomagają. Ponoć taki design ma wyrzucać mniej powietrza nad bolid, co w efekcie pozwoli na lepsze skierowanie strugi do sidepodów i otworów chłodnic, które także mają znaleźć się niżej.
Nieskazitelnie czysty przepływ pod podłogą dalej będzie bardzo ważny i wszyscy będą chcieli wepchnąć tam jak najwięcej powietrza, więc projekty nosa będą prawdziwą sztuką kompromisów.
Także - o ile McLaren rzeczywiście przegapił zasłonienie ekranu telefonu Zaka, a nie był to sprytny plan na zwiększenie czasu medialnego - wyciek przerzucenia się na koncepcję pull-rod raczej nie będzie aż tak bardzo spędzał snu z powiek pracownikom w Woking.
No dobrze, pull-rody mamy z głowy - ale jak zbudowane jest zawieszenie w czołówce motorsportu i jak działa?
Po co komu zawieszenie?
Zawieszenie jest elementem - czy grupą elementów - przenoszących siły z kół na nadwozie i vice versa. Od sposobu, w jaki te siły są zarządzane, zależy nie tylko czas okrążenia, jaki bolid może osiągnąć, lecz również stabilność auta czy łatwość prowadzenia.
Zawieszenie poddawane jest trzem głównym oddziaływaniom. Pierwszym jest przechylenie przód-tył, tzw. pitch. Podczas ostrego przyspieszania czy hamowania bolid przechyla się do przodu lub tyłu.
Przechylenie musi być ściśle kontrolowane - bolid nie może nurkować za bardzo, gdyż wpłynęłoby to negatywnie na zachowanie aerodynamiki, choćby wprowadzając nieprzewidywalność docisku, jeżeli auto przechyliłoby się zbyt bardzo i odcięło przepływ powietrza pod podłogę, czy oddaliłoby kąty natarcia skrzydeł od optymalnych.
Z drugiej strony, im sztywniejsze zawieszenie, tym gorsza przyczepność mechaniczna, co ma szczególne znaczenie na torach krętych i ulicznych - a w Baku na pewno przyprawia inżynierów o ból głowy.
Drugim momentem jest przechylenie boczne, tzw. roll. Opisuje ono, jak bardzo samochód przechyla się w bok podczas skręcania. Zwykle w trakcie projektowania zawieszenia przechyleniu bocznemu poświęca się bardzo dużo uwagi - ma ono ogromy wpływ na przyczepność wynikającą z powierzchni styku opony i toru, stabilność podczas pokonywania zakrętów oraz zachowanie aero bolidu w zakrętach.
Trzecim najważniejszym parametrem jest heave, czyli kompresja zawieszenia pod wpływem pionowych sił oddziaływujących na auto. Heave ma głównie związek z generowanym dociskiem. Ustawienie zawieszenia pod tym względem, podobnie jak w pitch, nie może być zbyt miękkie, by bolid nie uderzył podłogą o asfalt - choć musi również pozwalać na odpowiednie tłumienie drgań.
Istnieje również coś takiego jak suspension warp. Opisuje się tak moment, gdy przeciwstawne koła (np. przednie prawe i tylne lewe) są uniesione lub obniżone względem pozostałych kół. Warp nie jest indukowany przez żadne z połączeń przyspieszenia i skręcania, lecz występuje podczas podbicia koła na nierówności.
LAP 9/56
— Formula 1 (@F1) November 3, 2019
VET: "I think the suspension failed... yep, it's gone" ????#USGP ???????? #F1 pic.twitter.com/NnpoichwRA
Prawie jak u Seba..
Elementy zawieszenia
Na zawieszenie bolidu składa się parę podstawowych elementów współpracujących ze sobą.
Nr 1 to push rod - główny bohater ostatnich spekulacji, wraz z bratem bliźniakiem - pull rodem. Oba de facto zachowują się tak samo - przekazują przemieszczenia kół na dźwignie (2), z angielskiego rocker.
Jest to element, który zamienia ruch posuwisty na obrotowy, ułatwiając upakowanie zawieszenia wewnątrz nosa i znacznie zmniejszając potrzebne miejsce dzięki wykorzystaniu paru geometrycznych trików.
Oś obrotu dźwigni jest również osią obrotu wałka skrętnego - ang. torsion bar (3). Jeden koniec wałka zamocowany jest do dźwigni, a drugi koniec przytwierdzony jest na stałe do nadwozia bolidu.
Do dźwigni przytwierdzonych jest jeszcze parę elementów - nr 4 to tłumiki drgań (dampers). W środku (najczęściej) znajduje się sprężyna oraz mini tłok, a sam amortyzator jest wypełniony olejem lub innym płynem. Poprzez dobieranie wielkości otworów w tłoku czy rodzaju użytego płynu można zmienić charakterystykę wygaszania drgań.
Nr 5 to heave spring, czyli sprężyna ograniczająca przemieszczanie pojazdu w pionie. W konfiguracji tutaj przedstawionej asystuje jej anti-roll bar (6), w skrócie ARB - po polsku stabilizator poprzeczny, zapobiegający zbytniemu przechylaniu się bolidu w zakrętach.
Szare elementy ARB nazywa się czasem ostrzami, a zamocowane są one do wałka skrętnego - z zasady identycznego z tymi nr 3, z tą różnicą, że wałek w ARB może się swobodnie obracać wokół własnej osi.
Metody działania zawieszenia
Roll - przechylenie boczne
Załóżmy, że bolid wszedł właśnie w lewy zakręt. Na skutek bezwładności i siły dośrodkowej wytworzyło się przechylenie boczne (roll). Jeżeli spojrzymy na zawieszenie od przodu bolidu, sytuacja wygląda mniej więcej tak:
Prawy push rod zostanie popchnięty do góry ze względu na nacisk bolidu na zewnętrzną oś. Dźwignia obraca się wokół osi torsion bar, co wymusza przesunięcie się w dół łącznika ARB i dźwigni. To z kolei wygina ostrze ARB w dół, co wymusza skręcenie drążka ARB.
Z lewej strony sytuacja jest analogiczna - push rod ciągnięty jest w dół, co obraca dźwignię również w lewo - wówczas łącznik zmuszony jest do przesunięcia się w górę, co wygina lewe ostrze w górę i skręca drążek ARB.
Warto zauważyć, że w tej sytuacji drążek ARB skręcany jest w dwie różne strony na dwóch końcach - co w dwójnasób wzmacnia oddziaływania. Naturalnie jest to kształt odbiegający od kształtu zawieszenia w stanie spoczynku, przez co w elementach zawieszenia powstają wewnętrzne siły o przeciwnym do zmieniających geometrię zwrocie.
W skrócie - zawieszenie opiera się przechyleniu bolidu, próbując go wyprostować, co jest idealną definicją elementu anti-roll.
W moim modelu zastosowałem niesymetryczne ostrza ARB - jest to jedna z taktyk pozwalająca na dynamiczną zmianę właściwości zawieszenia.
Sztywność ostrza i odporność na wyginanie wysoce zależy od wartości jego szerokości i wysokości - co można wyobrazić sobie na przykładzie arkusza cienkiej blachy. Jeżeli złapiemy go za brzegi i spróbujemy wygiąć do środka płaszczyzny, to będziemy go w stanie łatwo zwinąć w rulon. Jeżeli powtórzymy próbę, ale tym razem z zamiarem wygięcia wzdłuż boku, arkusz nie drgnie.
Podobnie działa ten rodzaj ARB - ostrza są obracane, a ich różne wymiary szerokości i grubości zmieniają sztywność ARB. Takie rozwiązanie praktykuje choćby Indy czy Formuła E, a kierowca na bieżąco może zmieniać wartości sztywności - co jest uważane za zawieszenie semi-aktywne.
Dla długich i ciągnących się sekcji najlepszy jest miękki ARB - pozwoli to bolidowi dobrze współpracować z krzywizną zakrętu, uzyskując maksimum przyczepności. Karą za to jest mała responsywność bolidu.
Jeżeli wymagane są dynamiczne zmiany - jak choćby na S-kach w Suzuce czy COTA - przy miękkim ARB pół zakrętu zajęłoby bolidowi przeniesienie ciężaru na właściwą stronę, co skutkowałoby ogromnymi stratami w czasie okrążenia. Dlatego w Japonii i Ameryce można spodziewać się sztywniejszych anti-roll barów.
Generalnie rzecz biorąc, zawieszenie, jakie stosują zespoły, jest koszmarem z punktu widzenia dynamiki bolidu - indukuje ono zużycie i ścieranie opon, a także skutkuje wysoko położonym środkiem przechylenia bocznego, co wymusza stosowanie wysokich wartości camberu.
Wystarczy spojrzeć na ramiona wahaczy - wskazują one w górę, podczas gdy według teorii, by zminimalizować przechylenia boczne opon, powinny one być równoległe do podłoża lub nawet ku niemu skierowane.
W F1 wszystko jednak podyktowane jest aerodynamiką bolidu, a właściwości zawieszenia grają drugorzędną rolę w stosunku do zysków z czystszego przepływu powietrza pod bolid czy wokół nadwozia. Im mniejsze znaczenie aerodynamiki, tym bardziej jest to wyraźne.
Dla przykładu zawieszenie z F3 - gdzie dokładnie widać tendencję poziomego ustawienia ramion...
...i Formuły Student, gdzie zawieszenie zbiega się do punktu pod bolidem.
Fotka UGR20 dzięki uprzejmości
Im bardziej zbieżne jest zawieszenie, tym mniej camberu tracone jest podczas pokonywania zakrętu. Bolid F1 przy przechyleniu bocznym 2° straci ~2° camberu na zewnętrznym kole, ale bolid FS nie straci nawet 1° - co pozwala lepiej zarządzać zużyciem ogumienia i temperaturą opon.
Z drugiej strony zawieszenie F1 jest niewrażliwe na podbicia koła, podczas gdy w FS zbieżne ramiona wahaczy zmienią wartość camberu opony przy najechaniu nawet na najmniejszą z nierówności.
Heave - ruch pionowy
Pod działaniem docisku aerodynamicznego nadwozie jest dociskane do ziemi, czemu zawieszenie musi się przeciwstawić. Głównymi bohaterami są tutaj wałki skrętne - torsion bars - wspomagane przez heave spring. Ta ostatnia pełni również rolę tłumika drgań, pomagając nadwoziu jak najszybciej wrócić do jazdy bez wibracji.
W efekcie narastającego docisku nadwozie się obniża - co jest analogiczne do unoszenia się obu kół jednocześnie. Obie dźwignie zmuszone są do obrócenia się do wewnątrz, co skutkuje kompresją sprężyny heave, jak i skręceniem wałków skrętnych. Te się temu opierają, a bolid nie obniża swojej wysokości.
Głównym powodem stosowania torsion barów są ich małe wymiary - bo choć użycie sprężyn teoretycznie byłoby lepsze, zajmowałyby one za dużo miejsca w budowie nosa. Warto zauważyć, że w tym przypadku na ARB nie działają żadne siły - pozostaje on swobodny względem reszty zawieszenia, nie interferując w jego właściwości.
Wadą takiego rozwiązania jest zależność heave spring i tłumików drgań, co generuje problemy przy ustawianiu sztywności zawieszenia w przechyleniu bocznym. W praktyce stara używać się niezależnych zawieszeń - takich, w których zmiana sztywności jednego z elementów nie ma przełożenia na zmianę charakterystyk innych komponentów.
Jest to szczególnie ważne przy zarządzaniu pionowymi ruchami zawieszenia - docisk rośnie z kwadratem prędkości, więc i zawieszenie musi zachowywać się nieliniowo. Inaczej bolid zahaczy podłogą o asfalt.
Pitch - przechylenie przód-tył
Zachowanie w przechylaniu przy hamowaniu lub przyspieszaniu jest bardzo podobne do obniżenia podwozia w związku z dociskiem - z tą różnicą, że jedna z osi jest ściskana, a druga poddawana dekompresji.
Na szczęście wałki skrętne, jak i sprężyna heave, są w stanie bez problemu poradzić sobie z zarówno ściskaniem oraz rozprężaniem. Oczywiście rodzi to pewne problemy w ustawianiu sztywności zawieszenia, lecz nie jest to przeszkoda nie do pokonania.
Nadmierny heave/pitch wpływa negatywnie na powierzchnię styku opon z torem, dlatego musi być on ściśle kontrolowany - zwłaszcza podczas hamowania.
Inaczej może to doprowadzić do utraty przyczepności i zablokowania koła w najmniej odpowiednim momencie...
Lap 50/51
— Formula 1 (@F1) June 6, 2021
Hamilton goes from P2 to last #AzerbaijanGP ???????? #F1 pic.twitter.com/TAxXYEgfNL
Istnieją jednak sposoby na radzenie sobie z przechyleniem wzdłużnym - jednym z nich jest odpowiednie dobranie właściwości wałków skrętnych oraz sprężyn. Innym ciekawym rozwiązaniem jest anti-pitch bar - bardzo podobny do ARB system kontrolowania uniesienia kół, który od ARB różni się punktami zamocowania do dźwigni.
Poza tym zasada działania jest identyczna - obrócenie dźwigni skutkuje skręceniem wałka skrętnego, a ten w rezultacie stara się zmusić koła do powrotu do pozycji neutralnej, zapobiegając zbytniemu przechyleniu bolidu. Jest to jednak dość rzadko stosowane rozwiązanie - heave spring i torsion bars doskonale poradzą sobie bez tego.
Ten sposób wiąże się też z wzajemnym uzależnieniem zawieszenia - gdy jedno z kół podbije się na wyboju, drugie również zostanie wytrącone ze stanu równowagi.
Tylne zawieszenie
Zawieszenie z tyłu bolidu w kwestii elementów nie różni się niczym od tego z przodu - nie licząc brakującego układu kierowniczego. Różni się za to nieco budowa - elementy sa upakowane zupełnie inaczej, najczęściej poziomo, by jak najmniej zaburzać przepływ przy pokrywie bolidu i jednocześnie zmieścić się pomiędzy elementami układu napędowego.
Nierzadko elementy tylnego zawieszenie znajdują się w obudowie skrzyni biegów czy bezpośrednio nad nią - lecz ostatecznie zasady działania się nie zmieniają.
Zakaz hydrauliki na 2022...
...a przynajmniej duże jej ograniczenie na nadchodzący sezon przygotowała FIA pod okiem Rossa Brawna. Przy spodziewanych dużo sztywniejszych ściankach opon nagle to zawieszenie będzie musiało sobie poradzić ze znaczną większością nierówności na torze, nie mogąc liczyć na elastyczność ogumienia.
Przede wszystkim zakazano hydraulicznych elementów kontroli sztywności zawieszenia - co oznacza, że sztywność zawieszenia będzie determinowana tylko i wyłącznie przez dobór sprężyn i tłumików drgań. Zakazane zostały też różnego rodzaju masy inercyjne i elementy kontrolujące tempo zmiany wysokości kół przy przechyleniu.
Kolejnym punktem na liście FIA zostały wyniesione punkty zaczepienia ramion wahacza - od teraz muszą one być przymocowane bezpośrednio do elementów zawieszenia w obręczach kół.
Zobaczymy, co zespoły pokażą w tym roku - z pewnością sposoby ustawienia zawieszenia, zwłaszcza na początku sezonu, będą potrafiły zrobić różnicę i dać szansę na wynik ponad stan.
W zaczynających się już zaraz prezentacjach na pewno również warto zwrócić uwagę na kształt spodu nosa i spróbować wychwycić różnice w filozofiach projektów między poszczególnymi konstrukcjami - o ile nie będą one zbytnio pozakrywane.