artikel

De Formule 1-auto technisch bekeken

Techniek Premium 6596

De Formule 1-auto technisch bekeken

Niet pas sinds de successen van Max Verstappen, maar al heel lang is het Belgische ATC-lid Robby Camps een echte Formule 1-kenner. Als technicus voert hij een ademloze zaal ATC-ers heel enthousiast én deskundig langs de laatste twintig jaar F1-historie. Techniek op het scherpst van de snede, die ook kennis oplevert voor het ontwerp van productieauto’s.

Robby Camps is trouw bezoeker van AMT-evenementen. Hij werkt bij de ontwikkelingsafdeling van Ford in België, en test daar de nieuwste software. Buiten zijn werk om verzamelt hij overal waar hij kan technische informatie over de nieuwste F1-auto’s. Die hobby is een beetje uit de hand gelopen. Camps weet veel over de F1-techniek. Onvoorstelbaar veel eigenlijk, als je je realiseert hoe grondig de teams de technische details van hun auto afschermen.

In een vol bezette zaal kon Robby Camps geen echte F1 laten zien, maar wel heel veel detailbeeld van F1-techniek door de jaren heen.

Hij begint zijn F1-lezing dan ook met: “We gaan het nu niet hebben over de mannetjes, alleen over de auto’s.”
Met meteen één uitzondering voor de onlangs overleden Dan Gurney, een Amerikaanse coureur die ook eigen Eagle-Weslake F1-auto’s ontwikkelde. De eerste die met champagne spoot na de overwinning, de eerste die een integraal- in plaats van open jethelm opzette, en de bedenker van de ‘Gurney flap’, de opstaande rand achteraan spoilers. Die zorgt voor duidelijk meer aerodynamische druk van de spoiler, zonder daarbij ook veel meer luchtweerstand op te roepen.

Lucht heel belangrijk geworden

In reuzenstappen worden we hierna geleid langs de opbouw van F1-auto’s vanaf het ontstaan van het officiële F1-wereldkampioenschap. Eerst in de jaren vijftig met de motor voorin, dan vanaf de jaren zestig met de motor achterin, en in de jaren zeventig met steeds meer en steeds grotere vleugels. Experimenten komen langs, zoals dubbele wielen voor of achter, of een grote ventilator achterin de auto die lucht onder de bodem wegzoog.

Een zij-opname van de Renault RS 17 laat zien dat F1-auto’s achteraan ietsje hoger staan. Dat bevordert de venturiwerking van de bodem, met een hoek tussen 0,9 en 2,1°, zo blijkt.

Een zij-opname van de Renault RS 17 laat zien dat F1-auto’s achteraan ietsje hoger staan. Dat bevordert de venturiwerking van de bodem, met een hoek tussen 0,9 en 2,1°, zo blijkt.

“Omdat formule-wagens open wielen hebben die veel turbulentie in de rijwind oproepen, is de ontwikkeling van aerodynamica erg belangrijk geworden”, zegt Camps als inleiding op het hoofdonderwerp van zijn lezing. Lucht is tegelijk vriend en vijand van de F1-ontwerper, die door een enorm uitgedijd technisch reglement vrijwel geen kans meer heeft totaal nieuwe en afwijkende technieken toe te passen.

“Het nieuwste reglement telt 104 pagina’s”, geeft Camps als aanwijzing dat nu vrijwel alles vast omschreven is. Vandaar dat naast een sterke motor een slimme luchtgeleiding minstens even belangrijk is. Camps laat zien hoe de huidige F1’s worden getest met grote ‘wasrekken’ vol druk-opnemers eraan, om de luchtstroming langs de auto te meten. Of op parafine gebaseerde vloeibare ‘flo-viz’ verf op de auto, die het luchtstroom patroon op de carrosserie laat zien.

‘Het idee van zo’n diffusor luchtkanaal zie je nu op veel seriemodellen’

 

Downforce en drag

Steeds verder worden we de aerodynamicatechniek ingezogen. Vleugels geven meer druk op de auto, en dat betekent meer grip op de weg. Zoiets als een vliegtuigvleugel, maar dan andersom, geen opwaartse maar neerwaartse druk. Gebaseerd op het Coanda-effect, dat een stroming geneigd is om een bol vlak te volgen en daarvan niet los te laten. Dit effect is aan het begin van de twintigste eeuw uitvoerig onderzocht door de Roemeense technicus Henri Coanda.

Nee, je mag een F1 niet optillen aan de frontspoiler. Ook het doorbuigen van spoilers onder rijbelasting wordt meegenomen in aerodynamische berekeningen, om daar voordeel uit te halen. (foto Red Bull)

Nee, je mag een F1 niet optillen aan de frontspoiler. Ook het doorbuigen van spoilers onder rijbelasting wordt
meegenomen in aerodynamische berekeningen, om daar voordeel uit te halen. (foto Red Bull)

“Als je een spoiler meer rechtop zet, krijg je meer downforce, maar ook meer drag, luchtweerstand door turbulentie direct achter de vleugel.” Wat de beste opstelling is, wordt onderzocht in windtunnels, maar de reglementen staan dat maar heel beperkt toe. De ontwerpers maken veel gebruik van computersimulatie, Computational Fluid Dynamics. Wat daarna in de praktijk wordt gecontroleerd met de ‘wasrekken’ en kleurvloeistof op de auto.

Heel inzichtelijk wordt de downforce-drag tegenstelling door het sinds 2011 toegestane DRS, Drag Reduction System. De behoorlijk steil staande achterste rand van de achterspoiler kan korte tijd open gekanteld worden, voor minder downforce maar ook minder drag. Die verlaagde luchtweerstand helpt om een concurrent te kunnen inhalen. Maar je mag het alleen gebruiken in aangewezen zones op rechte stukken, en alleen als je binnen een seconde achter een ander rijdt. Een transponder op de auto’s bewaakt het DRS-gebruik.

Het belang van de bodem

Het midden van de voorvleugel, waarop de bevestiging aan de neus zit, mag geen spoilerprofiel hebben. “Maar”, wijst Camps aan, “er worden wel een soort bobbeltjes op gemaakt die ook iets schijnen te doen.”

De Red Bull RB14 van Max, sinds dit seizoen met Halo veiligheidsbeugel over de cockpit en nog maar een klein haaienvinnetje achterop de luchthapper. (foto Red Bull)

De Red Bull RB14 van Max, sinds dit seizoen met Halo veiligheidsbeugel over de cockpit en nog maar een klein haaienvinnetje achterop de luchthapper. (foto Red Bull)

Verder wijst hij op de nu verboden ‘haaienvin’ aan de luchthapper van de motor, vorig jaar verschenen en nu reglementair een stuk kleiner gemaakt. Het nu ook verboden T-wing vleugeltje was een missertje in de regels. Die lieten een smal strookje achter de luchthapper en vóór de achtervleugel onbeschreven. Hier werd een smal vleugeltje bedacht om de lucht net even beter naar de achtervleugel te leiden. Dat mag niet meer. In de voet van de achtervleugel, waarmee die op het huis van de transmissie vastzit, zat zelfs nog een vleugelprofieltje. “Monkey-seat heette dat mini-spoilertje”, weet Camps.

Zeker zo belangrijk als de bovenkant van de auto’s is de vlakke bodem, legt hij verder uit. Vooral de uitloop in een diffusor, een expansiekanaal achteraan waarmee lucht onder de auto wordt weggezogen. Dat geeft ook downforce, behoorlijk wat zelfs. Gevolg daarvan is het ‘bottomen’, met de bodem het wegdek raken bij inveren, een gevaarlijk verschijnsel. Je bent ineens een flink stuk downforce kwijt. Daarom zit er een stuk hout vooraan de vlakke bodem, waarvan de slijtage wordt nagemeten als controle of de auto niet te laag op de veren staat en dus te vaak ‘bottomt’.
Het idee van zo’n diffusor luchtkanaal zie je nu op veel seriemodellen, brengt Camps in gedachten. Alleen is het meestal show, zonder vlakke wagenbodem werkt het niet. Sportwagens krijgen wel zo’n bodem, en de trend is om onder alle auto’s de bodem met afdekplaten steeds gladder te maken.

Listige sjoemelaars

Dit zicht op de 2017-Mercedes toont de ingewikkelde vormen van de voorspoiler, verschillend aan de uiteinden om lucht over de wielen te leiden, en het lichtgekleurde deel dat met gerichte werveling een ‘luchtpijp’ moet vormen om rijwind langs de auto te leiden. Let ook op het ’s-duct’ luchtuitlaatje in de neus tussen de wielophangingen.

Dit zicht op de 2017-Mercedes toont de ingewikkelde vormen van de voorspoiler, verschillend aan de uiteinden om lucht over de wielen te leiden, en het lichtgekleurde deel dat met gerichte werveling een ‘luchtpijp’ moet vormen om rijwind langs de auto te leiden. Let ook op het ’s-duct’ luchtuitlaatje in de neus tussen de wielophangingen.

In de aerodynamica vinden teams nog gaatjes in de regelgeving, toont Camps. Zo kwam Renault met het idee om de uitlaten naar voren te leiden, en met uitlaatgas extra rijwind onder de bodem weg te zuigen. Uitlaten bovenop naast de motor werden gebruikt om extra gas naar de achterspoiler te blazen. Voordat de huidige turbo-hybride motorformule kwam, met precies voorgeschreven waar de ene uitlaatpijp moet zitten, werden twee uitlaatstromen van de V-motoren ook wel benut als geleiders om aan weerszijden de diffusor te begrenzen.

Mercedes gebruikte een dubbele bodem, om rijwind onder de bodem weg te zuigen en deels omhoog naar de achterspoiler te leiden. Nu nog hebben auto’s een ‘s-duct’, een buis die lucht bij de voorspoiler wegvangt om in een slinger omhoog langs de cockpit naar de koelers te leiden.
Zo worden meer buissystemen in de carrosserie verwerkt, om de rijwind precies daar te leiden waar hij iets nuttigs kan doen. Bijvoorbeeld wordt lucht achter een spoiler gestuurd, om tegen te gaan dat daar turbulenties optreden in de luchtstroom over de spoiler heen. De gestapelde profieltjes op de voorspoiler moeten een luchtwerveling oproepen, die een virtuele buis vormt om rijwind langs de voorwielen te voeren.

Da’s alweer even geleden, Fernando Alonso en Ferrari. Te zien is hoe de remmen onzichtbaar ingepakt zijn in slim geventileerde carbon huizen. Betere koeling, minder luchtweerstand. (foto Shell)

Da’s alweer even geleden, Fernando Alonso en Ferrari. Te zien is hoe de remmen onzichtbaar ingepakt zijn in slim geventileerde carbon huizen. Betere koeling,
minder luchtweerstand. (foto Shell)

Omdat wielen ook wervelingen in de luchtstroom oproepen, gebruiken sommige teams ‘geblazen assen’. Lucht wordt dan uit de remkoeling afgetakt en door een holle wieldrager geleid. Hij komt als een soort bladblazer uit de wielmoeren en vormt een luchtscherm over het hart van het wiel. “Een dergelijk idee wordt ook wel bij gewone auto’s gebruikt”, licht Camps toe, “via een opening in het front een luchtgordijn langs de voorwielen blazen, tegen turbulentie en luchtweerstand.”

Hybride motoren

Al sinds 2009 is hybride-aandrijving in gebruik in de F1, toen de KERS-remenergieterugwinning werd toegestaan. In de praktijk betekende dat omzetting van remenergie in stroom, die in een batterij werd bewaard om dan volgens voorschrift tijdelijk de benzinemotor te ondersteunen met een elektromotor. Experimenten met supercondensatoren of vliegwielen in plaats van een zware batterij leidden niet tot succes.

Vanaf 2014 hebben we nu hybride turbomotoren. Best een ingewikkeld systeem, met een MGU-K die net als voordien een KERS-remenergie omzet in stroom, en daarmee weer de krukas kan aandrijven. Met ernaast een MGU-H aangesloten op de enkele turbo, om ook uitlaatenergie om te zetten in stroom, of andersom de turbo elektrisch bekrachtigd snel op toeren te brengen. Vanaf 2021 zou die MGU-H afgeschaft worden, volgens het voorlopige plan. Daarin zou ook de toerenbegrenzing opgetrokken worden van 12.000 naar 15.000.

(tekst gaat verder onder de foto)

Renault illustreert in het kort waar de MGU-K en MGU-H de stroom heen sturen die ze opwekken, en wanneer ze dat doen. Geeft 120 kW extra, terwijl de 1.6 turbomotor nu tot 600 kW schijnt te kunnen ophoesten.

Renault illustreert in het kort waar de MGU-K en MGU-H de stroom heen sturen die ze opwekken, en wanneer ze dat doen. Geeft 120 kW extra, terwijl de 1.6 turbomotor nu tot 600 kW schijnt te kunnen ophoesten.

Het geheim van Ferrari, een paar jaar geleden: TJI-voorkamerinjectie en ontsteking, ontwikkeld door Mahle die al F1-zuigers leverde. Zou ook voor productiemotoren komen, maar dat gebeurde nog niet. (foto Mahle)

Het geheim van Ferrari, een paar jaar geleden: TJI-voorkamerinjectie en ontsteking, ontwikkeld door Mahle die al F1-zuigers leverde. Zou ook voor productiemotoren komen, maar dat gebeurde nog niet.
(foto Mahle)

Ondertussen zegt AMG Mercedes dat hun F1-motor op de testbank al een rendement van 50 procent heeft laten zien. Dat is 10 tot 15 procent boven motoren in productiewagens. Hier wijst Camps op de toepassing van Mahle’s TJI, Turbulent Jet Ignition. Zoiets als een aloude voorkamerdiesel, maar dan met benzine. Een kleine inspuiting en ontsteking in een voorkamer, waaruit de verbranding via dunne kanaaltjes in de cilinder komt om daar een extreem arm mengsel te ontsteken. Dat werkt, en komt uitstekend van pas bij een limiet van 100 kg (133 liter) benzine voor de race. Hetzelfde had Honda al vele jaren eerder met zijn CVCC-systeem, relativeert Camps. Maar dan op een zeer lastig afstelbare carburateur, en een extra inlaatklepje per cilinder voor de voorkamer. Nu hebben F1-motoren pneumatisch bediende kleppen, gevoed door een luchtcilinder die tijdens de raceafstand niet leeg raakt. Nodig voor snelle klepbediening bij de hoge motortoerentallen, maar te duur voor productiemotoren.

Regels, regels…

De transmissie met acht versnellingen en achteruit zit in een aparte koolstofvezelversterkte cassette. Los van de motor, makkelijk te verwisselen. Handig bij aanrijdingen van achter, dat je snel alleen de bak kan vervangen, zonder de motor. Je bent immers per seizoen gebonden aan een beperkt aantal motoren en bakken.

Ook interessant om te zien hoe een F1 schakelt zonder onderbreking van het vermogen, maar niet met een dubbele koppeling zoals steeds meer productiewagens doen.

Ook interessant om te zien hoe een F1 schakelt zonder onderbreking van het vermogen, maar niet met een dubbele koppeling zoals steeds meer productiewagens doen.

Overigens mag je niet variëren met overbrengingen tijdens een seizoen. De transmissie schakelt semi-automatisch, na wegrijden uit stilstand zonder koppeling, met vrijwel ononderbroken overbrenging van kracht. Daarvoor zorgt een schakeling met dubbele klauwen, nokjes waarmee je heel kort twee versnellingen tegelijk kunt inschakelen, terwijl de nokjes van de ene in de andere versnelling grijpen.

Dan zegt Camps nog wat over de remmen, naar wat coureurs en andere kenners zeggen het spectaculairste van een F1. Ze zijn op koolstofvezel gebaseerd, en werken pas bij temperaturen van 350 tot 1.000 °C. Dat moet dus gekoeld worden, waarvoor F1-remschijven wel duizend handgeboorde (!) radiale gaatjes hebben. Moet wel vanwege de kleine schijfdiameter, de F1 schrijft 13 inch wielen voor. “Reden waarom Michelin eruit stapte als bandenleverancier”, verklaart Camps, “en overstapte naar Formule E met 18 inch wielen.” Want 13 inch banden spelen nauwelijks een rol in het productiegamma, waarvoor je dan niks leert uit de F1, vond Michelin.

Reageer op dit artikel