artikel

F1-voorwielophanging technisch bekeken

Techniek 10821

F1-voorwielophanging technisch bekeken
De voorwielophanging van F1-auto's maakt een snelle ontwikkeling door. Wat kun je zien aan al dat carbon tussen wiel en chassis? (Foto: LAT Images/Mercedes)

Formule 1-wielophangingen lijken erg op elkaar. Als je er niet echt op let, zie je op dit punt eigenlijk geen verschillen tussen de auto’s. In realiteit zijn die er wel degelijk. En ze beslissen tussen winst en verlies. Kijk maar mee!

In de F1 gebruiken alle teams een multilink-ophanging, ook wel bekend als double wishbone. Zo’n systeem bestaat in principe  uit twee boven elkaar geplaatste dubbele draagarmen. Aan de ene zijde zijn die met de cockpit verbonden aan de andere zijde met de wieldrager. Tussen die draagarmen in bevindt zich een schokdemper-veerelement. Bij de voorwielen komt daar nog een bevestiging bij voor de stuurstang.

Double wishbone-wielophanging. Hier onder een VW Amarok. Dit principe met twee dubbele draagarmen zien we terug in F1-auto’s. (Foto: Shutterstock)

Onzichtbaar veerelement

In de F1 (en in veel andere raceklasses) echter, is dat schokdemper-veerelement verplaatst naar de binnenzijde van de cockpit en dus van buitenaf niet zichtbaar. De verbinding tussen de wieldrager en het schokdemper-veerelement wordt dan door een stang (rod in het Engels) gemaakt. Deze ophanging kun je verder opdelen in twee types: de pushrod (drukstang) systemen en de pullrod (trekstang) systemen.

Drukken of trekken

Bij de pushrods wordt, bij het inveren van het wiel (door een oneffenheid in het wegdek of tijdens het remmen), een drukkracht (push) overgebracht vanuit het wiel naar het schokdemper-veerelement. Die drukkracht wordt overgebracht via de drukstang = pushrod. Je snapt het al, bij de pullrods wordt er bij het inveren van het wiel juist een trekkracht op de stang  vanuit het wiel naar het schokdemper-veerelement gezet. Die trekstang noemen we een pullrod. De afbeelding van Formula1-Dictionary zie je beide constructies naast elkaar.

Duwen (links) of trekken (rechts)?

Wat is beter?

Beide systemen komen zowel apart als gemengd voor: pushrods bij zowel voor- als achterwielophanging, pullrods voor en achter, pushrods voor en pullrods achter en omgekeerd. Dit bepaalt de constructeur bij de ontwikkeling van de auto. Welke keuze hij maakt? Elk systeem heeft zijn eigen voor- en nadelen. Zo is een pushrod eenvoudiger afstelbaar, maar heeft een pullrod een lager zwaartepunt.

En de stuurstang?

Deze beide systemen worden al jaren gebruikt in de F1. Je kunt ze zien als de basis bij het begrijpen van F1-ophangingen. Zoals aangegeven, komt er bij de voorwielen nog een stuurstang bij. Die is soms geïntegreerd in een van de wishbones. Kijk maar even naar de auto van Max. Soms kan die stuurstang ook separaat zijn. Dan ligt hij meestal in het verlengde van een wishbone vanwege de aerodynamica. In tegenstelling tot F1-auto’s van pakweg 15 jaar geleden, zijn alle draagarmen nu gemodelleerd in de windtunnel.

Stuurstang en onderste wishbone in een. Ook bijzonder: de bovenste wishbone is gesplit. Er zijn twee aparte ophangingspunten van de bovenste wishbones aan de wieldrager. Daarmee tracht men het weggedrag te verbeteren. Deze constructie zien we (nog) niet bij de concurrentie.
1 = Voorste onderste wishbone met geïntegreerde stuurstang
2 = Achterste onderste wishbone
3 = Voorste bovenste wishbone
4 = Achterste bovenste wishbone
5 = Pushrod
6 = wieldrager – upright

Vier taken

De ophanging heeft natuurlijk verschillende taken die elk specifieke eisen stellen: vering, demping, sturing. In de F1 komt daar nog een zeer voorname bij: aerodynamica.

Veel verboden

In de loop van de F1-historie zijn natuurlijk al veel slimmigheden bedacht om de ophangingen zo efficiënt mogelijk te laten functioneren. Veel van die vindingen zijn intussen verboden, ze zijn uitgesloten door het technisch reglement. Voorbeelden? De actieve ophanging van de Williams FW14B, de Renault R26 met Mass Damper, of meer recent het Mercedes FRIC-systeem.

Hoge onderste draagarm

Dus zoeken de constructeurs naar oplossingen om de ophanging binnen het technisch reglement te verbeteren om zo snellere rondetijden te verkrijgen. Een voorbeeld zien dit jaar in de voorwielophanging. Er wordt voor veel gebruik gemaakt van het Pushrod-systeem. Maar in tegenstelling tot de principeafbeelding van hierboven is de onderste draagarm van het double wishbone systeem niet meer aan de onderzijde van de wieldrager bevestigd. Deze zit nu eerder ongeveer in het midden van de wieldrager, nabij het center van het wiel.

De hoge onderste draagarm maakt ruimte vrij voor een luchtstroom die achteraan de auto voor downforce zorgt. (Foto: RBR)

Meer downforce

Die hoge onderste draagarm wordt steeds populairder. Je ziet ‘m inmiddels ook bij de andere teams. Het doel van die constructie is om zoveel mogelijk lucht onder de ophanging door te geleiden zonder dat ophangingsdelen voor ongewenste turbulenties zorgen. We gaan immers die lucht verderop, naar de achterzijde van de wagen toe gebruiken om via allerlei flapjes en beplating downforce te creëren met hulp van de wagenbodem en de diffuser maar dat is een ander verhaal

Horizontale armen

Dat verhogen van die bevestigingspunten gaat verder dan alleen de onderste draagarm. De bovenste draagarm aan wielzijde wint ook steeds meer hoogte. Je ziet dat de bovenste draagarmen daardoor zo ongeveer horizontaal liggen. Ook dat heeft een aerodynamische reden. Het maakt dat horizontale turbulenties veroorzaakt door die armen gemakkelijker zijn op te vangen met plaatwerk en flapjes dan bij schuine ophangingsarmen. Vergelijk de Mercedes-ophanging (uit de openingsfoto) maar eens met de Ferrari F2012. Die laatste heeft trouwens een pullrod-ophanging vooraan.

Terug in de tijd. Vergelijk de stand van de onderste en bovenste draagarmen met die van de F!-autos van vandaag. En merk op: pullrod! (Foto: Automobilesreview.com)

Ook de pushrod omhoog

Recentelijk is er een verdere ontwikkeling met betrekking tot het bevestigingspunt van de pushrod aan de wielzijde. Strikt genomen is die bij zulke ophanging verbonden met de onderste wieldraagarm. Afgelopen jaren zien we een trend om ook deze hoger te plaatsen. De werking is echter wat complexer.

Onderstuur in lagesnelheidsbocht

Door dat pushrod-bevestigingspunt meer naar boven en naar de binnenzijde van de auto te brengen, in combinatie met een aangepaste setting van vering en demping, willen constructeurs het gedrag van de auto verbeteren in lagesnelheidsbochten met grote stuuruitslag. Daar hadden coureurs last van onderstuur en dat is nu eenmaal niet bevorderlijk voor de rondetijden.

Fairmont Hotel

Een bekend voorbeeld van zo’n bocht, is die aan het Fairmont hotel in Monaco. Door de lange wielbasis van een F1-auto, tot 3.5 m, is het niet evident om daar vlotjes door te geraken. Als coureur moet je het stuur verdraaien tot de volledige stuuruitslag. Op dit soort plekken hebben F1-auto’s chronisch last van onderstuur.

Haarspeld bij het Fairmont hotel. Hier wil een F1-auto naar de buitenkant van de bocht. (Foto: Shutterstock)

Toveren met de hoogte

Hoe werkt dat verhoogde pushrod-bevestigingspunt nu? In rechtuitstand staat dat punt in zijn hoogste positie. Naarmate de coureur het stuur verder verdraait, zakt dat punt weg. Op de maximale stuuruitslag is dat punt op zijn laagst. Door dat zakken krijgen ook de double wishbones een andere positie.

Twee effecten

Immers, het pushrod-bevestigingspunt aan de wieldrager zakt weg, maar die pushrod is intern in de cockpit verbonden met de vering en de schokdemper, die dat wegzakken opvangt. Dat opvangen laat de wagen dichter bij het wegdek komen waardoor de diffuser meer effect heeft. Verder wordt er door een betere gewichtsverplaatsing naar de voorzijde van de auto (omdat die dieper zakt) meer gewicht gezet op de voorwielen. Beide zorgen voor minder onderstuur.

Valtteri Bottas in de bocht bij het Fairmont. Klik op de link in de tekst hieronder om Vallteri én zijn voorwielophanging in actie te zien.

Niet duidelijk?

Rij dan even mee met Valtteri Bottas door die hairpin bij het Fairmont Hotel. Dat geeft je een goed zicht op de werking van het systeem. Bij volledige stuuruitslag lijkt het alsof de wieldraagarm omhoog komt (enkel links is dat zichtbaar maar rechts gebeurt het ook). Het is echter de cockpit zelf die zakt als gevolg van het verdraaien van het opnemingspunt van de pushrod. Wanneer de wielen weer rechtuit staan, werkt dit als conventioneel ophangingssysteem met vering en demping en heb je dit effect niet. Het is echt een systeem dat bedoeld is voor betere grip bij (hele) korte bochten met relatief lage snelheid.

Hoe dan wel?

Hoe ziet dat er nu uit in detail? De tekening van Formula 1.com toont de Ferrari-uitvoering. De rode pijl duidt op het pushrod-bevestigingspunt, uitgevoerd als een kogelgewricht.

Bij het draaien naar links, draait het wiel rond de bovenste en onderste bevestiging (gele pijl) van de wishbones aan de wieldrager. Het pushrod-bevestigingspunt draait mee en komt op een lagere positie uit. Dit laat de cockpit zakken (groene pijlen). (Foto Formula1.com)

 

Wat hebben we er aan?

Ten slotte nog dit: je kunt je afvragen waar deze technieken in de automotive hun reflectie vinden en of dit enkel voorbehouden is aan de racerij. Gelukkig niet. Ophangsystemen, gelijkaardig aan die van de F1, worden wel degelijk gebruikt in de automotive, denk aan het Dynamic Ride Control Systeem van Audi. Dat lijkt veel op wat in F1 FRIC was. In dit artikel refereerde ik ook al aan de actieve ophanging van de Williams FW14B. Dit soort ophanging wordt nu toegepast bij… tanks! En hé, dit ‘modelletje’ zagen we eerder ook al terug in AMT.

Nog een detail: in het rood zie je de kabels waarmee de wielen bij de auto blijven als ze afbreken bij een crash. Elk wiel (eigenlijk de wieldrager) moet reglementair met twee van zulke kabels beveiligd zijn. Deze kabels lopen door de wishbones heen. (Foto: Craig Scarborough op Twitter)

Blik onder het carbon

De draagarmen zijn voor F1-fans goed zichtbaar. Zoals we weten zitten onderhuids nog meer componenten van de wielophanging. Hoe dat in werkelijkheid intern opgebouwd is, verschilt van team tot team. Er zijn verschillende subdelen waarin je onderscheid kunt maken, die elk hun eigen functie hebben. De principetekening van sidepodcast.com geeft met kleuren aan welk onderdeel er gebruikt wordt en wat de functie is.

Groen: De pushrod: brengt de krachten van het uitwendige deel van de ophanging over naar het inwendige deel.
Geel: De ‘rocker’ of het schommelstuk waarop de pushrod wordt gemonteerd. Deze zet de op- en neergaande beweging van de pushrod om in een draaiende beweging rond de torsieas.
Grijze T: De torsiebar die als vering dient. Deze kan zowel in tegen- als uurwerkzin opgewonden worden.

Schematische weergave van de ophangingsdelen die je niet ziet (Foto: Sidepodcast.com)

Lichtblauw: De buitenste dempers als demping van de torsiestang. Deze dempers kunnen onafhankelijk van elkaar wegoneffenheden wegfilteren. Elke demper heeft een bepaalde stijfheid die bepaalt hoeveel hij in- en uitveert wanneer er een kracht op uitgeoefend wordt. Het team kan instellen hoeveel slag de demper maximaal en minimaal kan uitveren.
Rood: De centrale demper. Deze controleert de beweging van de auto onder ‘heave’. Dit krijg je als beide wielen gelijktijdig willen inveren (tijdens het remmen) of uitveren (tijdens acceleratie). Deze demper kan uitgevoerd worden als een conventionele veer maar hij kan ook hydraulisch zijn. Wanneer de auto overhelt naar één zijde (roll), dan zal deze demper onder een bepaalde hoek komen te staan. Eén pushrod beweegt naar de binnenzijde, de ander beweegt naar de buitenzijde.
Oranje: De torsiebar-reactiestang helpt mee als toevoeging aan de centrale demper tijdens de heave fase en zorgt dan voor extra stijfheid door beide rockers met elkaar te verbinden. Wordt niet altijd toegepast.
Donkerblauw: De roll-demper. Opnieuw: Eén pushrod beweegt naar de binnenzijde, de ander naar de buitenzijde. Deze demper zorgt ervoor dat deze roll beperkt wordt. Hij werkt de roll tegen.
Paars: De anti-rollbar. Een andere mogelijkheid om de roll te beperken. Teams gebruiken ofwel de anti-rollbar of de rolldemper. Beide gelijktijdig gebruiken kan principieel ook maar voegt alleen maar extra gewicht toe.

 

Reageer op dit artikel