IT News
Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm
Устройство гоночного болида «Формула 1»
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.
Анатомия гоночного автомобиля. Часть 1. Двигатель
Как построить гоночный мотор? К каким ухищрениям прибегают специалисты?
От гражданского мотора гоночный отличается очень сильно . Доработкам подвергаются практически все системы и механизмы.
В первую очередь, модернизируют систему впуска . Самое простое — установка фильтра нулевого сопротивления, благодаря ей можно получить прибавку до 5% л.с. даже на стандартном моторе.
Дальнейшим изменениям подвергают головку блока цилиндров — путем увеличения сечения и шлифовки проходных каналов, клапанов и выравнивания плоскостей можно добиться улучшения наполнения цилиндров и снижения потерь по ходу движения топливо-воздушной смеси. Всё вместе это может дать прибавку до 10-15% . Но важно не переусердствовать , ведь увеличение размеров клапанов снижает скорость потока смеси, а значит и ухудшает «продувку» цилиндров, что будет особенно заметно на моторах с турбонаддувом — на низких и средних оборотах турбина будет раскручиваться ощутимо дольше !
Впускной ресивер (аккумулятор воздуха) увеличивают в размерах и изменяют его форму для улучшения наполнения цилиндров и снижения колебаний воздушного потока. Это позволяет уменьшить паразитные завихрения (турбулентность) на впуске. А длина впускных каналов позволяет повысить наполнение цилиндров в заранее просчитанном диапазоне оборотов. Также в него могут быть установлены так называемые «дудки» для создания необходимых завихрений (да-да, они всё же нужны) в зоне низких и средних оборотов. Применяют также и впускной коллектор необходимой (рассчитанной) длины, отполированный до блеска. Красота здесь не главное — гладкая поверхность не создает сопротивления топливной смеси и на ней не оседают тяжелые капли топлива.
Также в ГБЦ устанавливают иные о блегченные распределительные валы с увеличенным подъемом клапанов и расширенными фазами для повышения наполнения цилиндров и улучшения их продувки, также обязательно применяют регулируемые шестерни механизма ГРМ для точной подгонки фаз газораспределения . К примеру, на двигателе ВАЗ-2108 (2111) путем установки одного только распредвала с подъемом клапана 10,93мм (против 9,5 в стандартном исполнении) мощность увеличивается на 10-15 л.с.
Святая святых — блок цилиндров . Доработкам подвергается, в первую очередь, шатунно-поршневая группа. Для повышения рабочих оборотов и объема двигателя необходимы иные поршни, шатуны и коленчатый вал. Все детали должны быть максимально легкими и прочными — шатуны производят из титановых сплавов , коленчатые валы облегчают и усиливают, ставят более жаропрочные поршни.
К блоку цилиндров можно отнести и систему смазки — для предотвращения масляного голодания устанавливают системы с так называемым «сухим картером» . Суть системы в создании отдельного выносного резервуара для масла с отдельными насосами, что предотвращает отливы масла от насоса во время серьезных ускорений и боковых перегрузок. Кроме того, это позволяет опустить мотор ниже и снизить центр тяжести автомобиля.
Если Вам понравилась данная публикация, то вы можете поставить лайк и подписаться на канал здесь , чтобы не пропустить новое на канале. Есть что добавить, обсудить? Пишите в комментарии!
Модификациям подвергается система охлаждения — устанавливают многослойные радиаторы большего размера для эффективного охлаждения двигателя при экстремальных нагрузках.
В системе подачи топлива устанавливают специальный топливный бак с противоотливными емкостями, насосы и форсунки повышенной производительности.
На пути выхода отработавших газов в системе выпуска устанавливают специально рассчитанные равнодлинные коллекторы по схемам 4-2-1 или 4-1 (могут быть разными, в зависимости от количества цилиндров). Схема 4-2-1 позволяет улучшить отдачу мотора на средних оборотах, а 4-1 на высоких.
Вишенка на торте — специально настроенная и рассчитанная под определенные обороты мотора выпускная система, позволяющая достичь максимальной отдачи в заданном диапазоне оборотов и, разумеется, звука, который так нравится болелщикам (согласитесь, спутать «бу-бу-бу» от Subaru и визг Honda на 9 тысячах оборотов нереально). Как правило, для облегчения ее выполняют из титановых сплавов — дорогая игрушка!
Из чего состоит машина Формулы 1?
Современные болиды Формулы 1 — невероятно сложные системы с огромным количеством деталей. В самых разнообразных терминах можно легко запутаться и не понять, о чем говорят комментаторы или что написано в статье. Например, что такое шасси — где оно начинается и заканчивается; почему двигатели называют силовыми установками; как называть разные части аэродинамического пакета, чем отличается спойлер от антикрыла? Давайте попробуем разобраться.
Сначала мы разделим машину на две главные составные части — шасси и силовую установку.
Силовая установка (Power Unit или PU) — это то, что двигает болид вперед. Почему же силовая установка, а не двигатель? Дело в том, что двигатель — только часть силовой установки. Раньше, до 2014 года, можно было бы сказать что эти слова — синонимы, с некоторыми оговорками. Сейчас же это не совсем так.
Сердце силовой установки представляет собой именно двигатель внутреннего сгорания (Internal Combustion Engine или ICE), и в современной Формуле 1 образца 2020 года эти двигатели — 1.6 литровые турбированные V6. Двигатель ограничен 15000 оборотов в минуту, а расход топлива 100 килограммами в час. Вокруг же движка — гибридные системы, позволяющие выжимать максимум из такого небольшого объема.
Впрочем, вы все равно будете сталкиваться с тем, что всю силовую установку именуют “двигатель”. И я зачастую это делаю — так тупо проще. Но на всякий случай различие стоит знать.
MGU-H и MGU-K — системы рекуперации энергии, первая позволяет использовать выделяемое двигателем тепло, а вторая получает дополнительную энергию от механической кинетической энергии торможения болида. Обе эти системы заряжают батарею, которую, в свою очередь, пилот может использовать для получения дополнительных лошадиных сил. Накапливать эту “гибридную” энергию в батарее можно, теоретически, сколько угодно, но использовать разрешено только строго ограниченное количество на круг.
В накоплении и использовании этой электрической тяги есть один большой нюанс — чем больше болид заряжает батарейку, тем медленнее едет. Поэтому на квалификационных кругах, например, пилоты стараются на первом круге после выезда из боксов “собрать” как можно больше, чтоб потом, на быстром круге, использовать всё накопленное и показать лучшее время.
Кстати о лошадиных силах. Никто не знает точно, насколько мощны силовые установки в современной Формуле 1 — это одна из секретных цифр, известная только командам и производителям. По самым свежим слухам, трое из четырех мотористов преодолели барьер в 1000 лошадиных сил. Кто не преодолел — тот Хонда.
Шасси — все остальное. Натурально, все что не является силовой установкой, можно объединить в одно единое слово “шасси”: монокок, аэродинамический пакет, шины, тормоза, коробку передач, трансмиссию, подвеску и рулевую установку.
Поговорим о самых важных и часто упоминаемых частях:
Монокок (monocoque) — понятие, пришедшее из авиации, и означающее ту “капсулу безопасности”, в которой сидит пилот. Монококи производятся из углепластика и должны соответствовать невероятно строгим требованиям к безопасности, что делает их практически неразрушимыми. Вы можете видеть это в авариях — болид может практически дезинтегрироваться вокруг пилота, но сам он остается невредим.
Шины — стандартная часть для каждого болида, поставляются Пирелли и имеют столько особенностей, что им будет посвящен целый отдельный материал.
Коробка передач — в Формуле 1 используются восьмиступенчатые полуавтоматические коробки, с одной дополнительной ступенью для заднего хода. Что интересно, задний ход в Формуле 1 используется настолько редко, что иногда пилоты просто глохли при попытках его включить. Коробки передач не стандартизированы, но многие команды закупают их вместе с моторами и не производят самостоятельно.
А вот на аэродинамике мы остановимся подробнее, так как это, пожалуй, самая сложная и интересная часть современных машин Формулы 1.
Все знают что у болидов Формулы 1 есть передний и задний спойлер. Или антикрылья? Как их правильно называть? В английском оба этих элемента машины называют незамысловато — front wing и rear wing. То есть правильно будет их называть “переднее антикрыло” и “заднее антикрыло”. Но в русском, по моему опыту, “спойлер” и “антикрыло” стали практически синонимами, несмотря на имеющуюся разницу в их определениях. Ну или можно называть их так же, как и в английском — “крыльями”, хотя они и имеют прямо противоположную функцию.
Функция же у них простая — прижимать машину к земле. В целом вся аэродинамика болида Формулы 1 несет такую функцию, но крылья играют важнейшую роль. Особенно заднее, оно вырабатывает львиную долю прижимной силы.
Когда-то давно, когда в Формуле 1 было намного больше денег и табачных спонсоров, Шумахер выигрывал вообще всё, а команды придумывали дополнительные безумные крылья. Но о них мы поговорим когда-нибудь потом.
Заднее антикрыло имеет еще одну особенность, все болиды в Формуле 1 оборудованы системой DRS (Drag Reduction System), которая позволяет пилоту на определенных участках трассы уменьшить сопротивление заднего антикрыла и таким образом разогнать машину быстрее и достичь более высокой максимальной скорости. Выглядит это так — один из элементов заднего антикрыла поднимается и образует щель, похожую на такую же в почтовом ящике.
DRS можно активировать только находясь не далее чем в одной секунде за другой машиной и эта система, в первую очередь, предназначена для облегчения обгонов, которые невероятно сложны в современной Формуле 1.
Почему же обгоны настолько сложны? Каждая машина, проходя сквозь воздух, оставляет за собой “воздушный мешок”, область, в которой потоки воздуха не находятся в обычном упорядоченном состоянии, а в состоянии некоторого хаоса. К тому же, этот воздушный мешок содержит несколько более разреженный воздух. В английском этот эффект называют “dirty air”.
Поэтому машина, идущая прямо позади другой, “генерирует” намного меньше прижимной силы. Это не критично на прямых, наоборот, помогает быстрее разогнаться и обойти конкурента (так называемый слипстрим, “slipstream”), но убивает какую-либо возможность оставаться близко в поворотах. В итоге даже если кто-то смог приблизиться на прямой, он потеряет весь прогресс в следующих поворотах.
Есть еще аэродинамические элементы перед боковыми воздуховодами, по-английски они называются “bargeboards”, не имеют русского перевода (который был бы мне известен) и играют большую роль после запрета большинства аэродинамических элементов на передних антикрыльях. До 2018 передние крылья были невероятно сложны:
Но теперь все сложное многообразие элементов переехало в эту область за передними колесами:
Наконец последний по расположению, но не по значению аэродинамический элемент — диффузор. Он находится прямо под задним антикрылом и за счет своей расширяющейся формы и специальных каналов в днище автомобиля, он уменьшает давление воздуха в этой области, выполняет функцию “присасывания” болида к земле.
Про остальные элементы шасси, не имеющие отношение к шинам, коробке передач или аэродинамике обычно вспоминают раз в год только самые преданные фанаты технологий… сказал бы я, не привези Мерседес на тесты новую, уникальную рулевую тягу. Про неё все говорят уже почти неделю и будут говорить до конца сезона, вероятно. Подробнее я уже описал новую вундервафлю в отдельной статье .
Поэтому никогда не стоит списывать со счетов то, насколько гениальные решения команды способны выдавать с самыми простыми, казалось бы, вещами. Формула 1 состоит из невероятных инноваций, многие из которых изменили мир автоспорта. Или были запрещены после первой же гонки.
