Технические достижения 1988—1992 гг.

Двигатели

Борьба за мощность, повышение надежности и снижение массы двигателя, как и ранее, стали основными направлениями в работе над новыми 3,5-литровыми двигателями.

Так как с мощностными показателями некоторых двигателей мы читателей уже познакомили, обратимся здесь к самой конструкции двигателя. Для начала представим краткое техническое описание двигателей Формулы начала девяностых годов.

Как видно из представленных данных, сколько конструкторов — столько мнений. Столь широкий разброс по многим конструктивным показателям свидетельствует о том, что эталона не существует. Каждый из авторов, стремясь достичь наиболее взвешенного компромисса, отдавал предпочтение одному из элементов.

Частичное снижение массы двигателей достигается за счет более тщательного анализа (с применением метода конечных элементов) всех элементов конструкции двигателя. Причем два главных конкурента, такие, как «Хонда» и «Рено», исповедуют принципиально различные подходы даже при выборе материала блока цилиндров. У «Хонды» это — чугун, а у «Рено» — высокопрочный алюминий. Последний, хотя и обеспечивает преимущества почти в девять килограммов, однако имеет незначительно меньшую жесткость. Вторым существенным резервом для снижения массы двигателя является постоянное обновление применяемых материалов. В частности, головка блока двигателя «Ламборгини» изготовлена из высоколегированного кремнеалюминиевого сплава, при внушительных размерах 720×200×150 мм масса головки составляет всего 21 кг.

Повышение наработки на отказ всех элементов двигателя достигается также комплексным подходом— от использования новых материалов до широкого применения систем «электронного управления процессами». «Хонда» одной из первых применила керамические теплоизоляторы (титанат алюминия) в конструкции выпускной системы, что позволило снизить термические нагрузки и выйти на уменьшение объема системы охлаждения.

Для обеспечения оптимальной работы всех систем двигателя широко применяются комплексные системы управления двигателем, базирующиеся на 16-битных центральных микророцессорах. Например, система «Бош Эм Пи-1,8» оснащена следующим количеством датчиков:

1.   Давление воздуха — 4.

2.   Давление масла—1.

3.   Давление топлива — 1.

4.   Давление масла коробки передач — 1.

5.   Температура воздуха — 2.

6.   Температура воды в радиаторах системы охлаждения — 2.

7.   Температура масла двигателя — 2.

8.   Температура масла коробки передач — 1.

9.   Температура топлива — 1.

10. Обороты двигателя — 1

11. Скорость — 1.

12. Положение дроссельной заслонки — 1.

13. Температура микропроцессора — 1.

14. Контрольные зонды — 4.

15. Датчики сброса — 4.

Это позволяет ей обеспечивать программное регулирование угла опережения зажигания в зависимости от оборотов двигателя, положения дроссельной заслонки и давления во впускном трубопроводе, оптимальную дозировку и фазирование впрыскиваемого топлива с учетом температур и давлений в системах смазки, охлаждения и питания. Все применяемые системы отличаются высокой надежностью: к примеру, система «Лукас-468» обеспечивает работу двигателя даже при отказе 95 процентов всех датчиков.

Контроль за работой электронной системы управления двигателем осуществляется в боксах технического обслуживания. Телеметрическая связь между автомобилем и боксом обеспечивает передачу сигналов в центр приема и обработки телеметрических данных.

При прохождении автомобиля вдоль боксов происходит импульсный сброс накопленной информации (время передачи 0,4—0,5 с). Установленная в боксах система «Дарак» (Дейт регистрейшн анализ контрол) позволяет четко диагностировать техническое состояние контролируемых систем. В случае возникновения нештатных ситуаций радиосвязь между руководством команды и автомобилем позволяет гонщику внести изменения в эксплуатационные режимы той или иной системы. Однако отсутствие возможности непосредственно управлять системами автомобиля приводит зачастую к разногласиям между боксами и гонщиком, в накале борьбы игнорирующим ценные указания руководства. Чтобы исключить человеческий фактор из этого процесса, некоторые фирмы ведут интенсивные испытания автоматической системы двухстороннего обмена информацией между компьютерами, установленными на автомобиле и в боксах. Камнем преткновения здесь является обеспечение устойчивого приема-передачи лазерного луча, более чем в два раза сокращающего время сброса информации. Применение современных систем проектирования позволяет не только обеспечить высокий уровень всех элементов двигателя, но и создать несколько его вариантов (5...6) под специфические условия гонок на городских, скоростных либо сложных трассах с большим количеством поворотов. С учетом известного варианта по подбору горюче-смазочных материалов можно утверждать, что для каждой трассы чемпионата мира лучшие команды имеют как минимум по одной специальной модификации двигателя. Времена, когда двух — трех двигателей хватало на весь спортивный сезон, а регулировка и настройка осуществлялись вручную одним «кудесником», безвозвратно канули в Лету.

Трансмиссия

Первооткрывателем полуавтоматической коробки передач для гоночных автомобилей Формулы 1 стал конструктор Джон Бернар. Разработанная им концепция основывалась на следующих предпосылках: большая мощность двигателя и узкий рабочий диапазон по оборотам требовали большего числа передач, чем обычные пять или шесть. Однако более шести передач — это уже четыре вилки включения, а это, в свою очередь,— ощутимая потеря времени на переключения (затраты времени на каждое — до 0,23 с). Поэтому Бернар, конструируя трансмиссию для «Феррари», стал применять семиступенчатую коробку передач с полуавтоматическим включением, сокращающим время включения до 0,11 с. Над усовершенствованием трансмиссии именно в этом направлении на фирме «Феррари» начали работать еще в 1978 году. Сам же принцип, примененный Бернаром, запатентован еще в 1963 году. На рулевом колесе размещаются датчики управления в виде небольших рукояток, правый датчик — для переключения от второй до седьмой, а левый — от седьмой до второй. При нажатии на датчик управления через бортовой процессор подаются сигналы на выключение сцепления, упорядочение режима работы двигателя, переключение передачи и, наконец, включение сцепления. Собственно переключение обеспечивается размещением вилок включения на штоках гидроцилиндров двойного действия, позиционирование которых задается электромагнитными клапанами. Клапаны, работающие по принципу «открыто — закрыто», задают гидросистеме режим работы, а рабочее давление 25 ати обеспечивается насосом, имеющим привод от двигателя автомобиля, и гидроаккумулятором.

Собственно коробка передач «Феррари» исполнена в традиционной схеме продольного размещения валов. Для того чтобы трогаться с места на первой передаче, автомобиль оснащается также традиционной педалью сцепления. На задней торцовой крышке коробки расположены датчики, информирующие гонщика (при помощи индикации на щитке приборов) о включенной в настоящий момент передаче.

Слабым местом этого чуда оказались электроклапаны фирмы «Муг»—стандартная деталь, применяемая многими «конюшнями» в системах электронного контроля и управления. Высокие перегрузки и вибрация, близкое расположение выхлопных труб вызывают неожиданные отключения клапанов, что приводит к сходу автомобиля с дистанции гонок.

Широкое применение электроники позволит со временем избавиться от этих «детских болезней». Уже сегодня некоторые команды (на базе электронных систем управления двигателями, степенью блокировки дифференциала и управления коробкой передач и сцеплением) ведут интенсивные работы по созданию единой системы управления, которая дала бы возможность постоянно работать в «спаринге» с «центром управления» в боксах технического обслуживания.

Несущая конструкция

Повсеместное применение в несущей конструкции композиционных материалов и весьма сжатые сроки, отпущенные на подготовку производства и само производство (максимально три месяца), вынудили все гоночные команды организовать производство конструкций из углепластика.

Технологический цикл изготовления углепластикового монокока занимает 16 недель, из которых шесть недель уходит на изготовление полноразмерной деревянной модели, четыре — на изготовление матриц и еще шесть — на собственно изготовление монокока. Причем большинство команд готовят так называемые негативные матрицы, лишь некоторые, в том числе «Мак-Ларен»,— позитивные. Хотя принципиальной разницы между ними и нет, однако последние более удобны в обслуживании. Иногда с целью экономии времени изготовление матриц заказывается на стороне.

Для изготовления монокока применяются уже известные читателю сэндвич-панели из двух слоев углеткани, алюминиевых сот — слоя кевлара и, наконец, еще двух слоев углеткани. Холсты из углеволокна, применяемые для изготовления монококов гоночных автомобилей, существуют двух типов: с ненаправленным плетением и перпендикулярным плетением. Сами же волокна, применяемые для изготовления ткани, бывают четырех типов: высокопрочные, взаимной модуляции, высокой модуляции и экстра (высокопрочные, высокой модуляции). Каждая нить, подготовленная для изготовления ткани, содержит до шести тысяч волокон. В результате получаются ткани с различной характеристикой по жесткости и прочности.

Пропитанные связующим, заготовки (в случае машинной пропитки так называемый препрег) хранятся в специальном холодильнике при температуре до -18° С. После укладки всех слоев в указанной выше последовательности матрица поступает в автоклав. После термомеханической обработки в автоклаве (температурный режим до 150° С и давление до 120 ати) монокок практически готов. Конечно, очень многое зависит от профессионализма специалистов по выкладке: даже малейшее нарушение скрупулезно отработанной технологии может привести к резкому ухудшению жесткостных параметров монокока. А это значит, что при адекватности внешнего вида такой монокок не сможет быть применен для гоночного автомобиля.

С целью дефектовки все несущие конструкции гоночных автомобилей Формулы 1 подвергаются обязательному испытанию («crash-test») на лобовой удар и боковое смятие. В случае лобового удара носовая деформационная часть должна обеспечить абсолютную сохранность монокока (а значит, и ног пилота!) на скорости в 36 км/ч. При боковом смятии испытанию подвергается 300 мм зоны топливного бака и кокпита усилием в 2 т/с в течение 30 с. Прошедшим испытание считается монокок, деформация стенок которого не превышает 20 мм.

Несмотря на кажущуюся простоту подобных тестов, они представляют собой достаточно жесткое испытание для монококов. В силу этих требований носовой части уделяется особое внимание. Командой «Мак-Ларен», в частности, носовая часть выклеивается из перпендикулярного холста с волокнами взаимной модуляции, имеющими при сопоставимой прочности на 30 процентов большую жесткость, чем высокопрочные волокна. Сертификационные испытания носовой деформационной зоны все итальянские команды проходят в университете г. Перуджи, а «Феррари» — в испытательном центре ФИАТа.

В последнее время командой «Феррари» осваивается новая технология выклейки по металлическим матрицам. Высокая жесткость оснастки позволяет значительно поднять (до 30 ати) давление в автоклаве, а это в свою очередь обеспечивает стабильность задаваемых конструкции свойств, повышает термоустойчивость и снижает массу монокока.

Высокие требования к массе монокока, его жесткостным параметрам, сжатые сроки проектирования и производства потребовали от фирм — производителей автомобилей Формулы 1 перейти на новые системы проектирования. Без применения современных систем автоматизированного проектирования уже просто невозможно было бы обеспечить подготовку полного объема рабочей документации за два месяца. Ведь на весь производственный цикл проектирования и изготовления первого образца новой модели у команды есть не более пяти месяцев, из которых три занимает изготовление. Чтобы использовать оставшиеся два месяца с наибольшей эффективностью, широко применяются системы объемного моделирования, отработки элементов конструкции методом конечных элементов, автоматического раскроя заготовок для выкладки в матрицы. Среди наиболее распространенных систем: «Браво-3» — американской фирмы «Шлумбегер» («Марч», «Лотус» и т. д.), «Юниграфик-11 » — также американской фирмы «Мак-Доннел Меньюфекчюринг энд Инжиниринг Системз К°» («Бенеттон»). Первый автомобиль Формулы 1, спроектированный более чем на 70 процентов с применением системы КАД/КАМ, был «Тиррелл ДГ-016», подготовленный одноименной гоночной «конюшней» при активной помощи одной из ведущих фирм в области разработки автоматизированных рабочих мест проектирования — «Дейт Дженерал».

Все это позволяет сегодня получать оптимальные по своим удельным показателям несущие конструкции практически любой внешней формы, а значит, и экономить еще на кузовных панелях, прикрывавших ранее граненые контуры монококов. Сегодня применение всего вышеописанного стало для каждой гоночной команды таким же обычным, рутинным делом, как изготовление несущих конструкций из алюминия еще десять лет назад.

Аэродинамика

Мы упоминали уже о серьезных достижениях в аэродинамике автомобилей Формулы 1 последних лет. В качестве иллюстрации этого факта можно привести следующие сравнительные данные аэродинамической эффективности последних автомобилей с турбодвигателями (1987 год) и новых моделей с 3,5-литровыми двигателями (девяностые годы), которые наглядно демонстрируют высокий темп эволюции аэродинамики,— расчетные показатели автомобилей «Феррари Ф1-87» и «Бенеттон» по итогам замеров на трассе Имола в 1987 году:

SC_х, м^²  – SC₂, м  A = (–SC₂)/(–SC_X)

«Феррари Ф1-87»       1,367       1,634      1,195

«Бенеттон Б-187»       1,372       1,676      1,222

Автомобили этих же команд по замерам на трассе Хокенгеймринг в 1990 году имели следующие расчетные показатели:

«Феррари -641/2»       1,083       2,423      2,237

«Бенеттон Б-190»       1,081       2,272      2,102

Простое сопоставление полученных результатов указывает на то, что произведение лобовой площади на коэффициент лобового сопротивления только за три прошедших года снизился на 21—22 процента, а произведение лобовой площади и коэффициента подъемной силы повысился на 35 процентов. Эти изменения дают рост аэродинамической эффективности за этот же период до 87 процентов.

Основные изменения в конструкции автомобилей, способствовавшие столь бурному улучшению аэродинамических показателей, можно сгруппировать по следующим направлениям совершенствования:

—  носовая часть автомобиля;

—  донная аэродинамика;

—  внутренняя аэродинамика;

—  задняя часть автомобиля.

Об изменениях носовой части автомобилей мы уже говорили, необходимо добавить лишь следующее. «Курносая» концепция была дополнена значительно возросшими размерами передних антикрыльев. Применение дельтовидных крыльев с увеличенной хордой позволило существенно поднять снимаемую с них дополнительную нагрузку, снизив при этом создаваемое антикрыльями сопротивление. Вторым дополнением стала установка развитых многофункциональных концевых шайб. Кроме традиционных функций — препятствование перетеканию и срыву потоков на окончаниях антикрыльев, теперь они выполняли еще ряд дополнительных функций: получение прижимающей силы; ограничение турбулентной зоны, возникающей при вращении переднего колеса; эффективное охлаждение (за счет скоростного напора) тормозных механизмов и переднего колесного узла; канализация воздушного потока в боковые секции для повышения эффективности работы радиаторов системы охлаждения и донной аэродинамики. Из вчерашних простых пластин сегодняшние концевые шайбы трансформировались в поверхность сложнейшей формы: длиной около 900 мм, высотой 250 мм и шириной около 200 мм.

Совершенствование донной аэродинамики основывалось на появившейся возможности упорядочить воздушные потоки, проходящие между дорожным полотном и днищем автомобиля, вследствие эволюции носовой части и днища в задней части. Повсеместное применение поперечных коробок передач создало удачные предпосылки для появления цельного заднего конфузора и значительного улучшения прокачки, а вместе с ней и разрежения под автомобилем.

Улучшение внутренней аэродинамики происходило в основном по тем же аналогиям. Изменение носовой части с целью подачи воздушного потока, проходящего под донной частью носа в боковые секции для улучшения их наполнения; перенос отводящих коробов от радиаторов с боковых поверхностей в центральной части в конец автомобильного кузова, то есть использование мешка разрежения, образующегося за автомобилем при его движении, для улучшения прокачки воздуха в боковых коробах, все это привело к более плавному изменению проходных сечений внутри боковин и соответственно к уменьшению сопротивления.