Эволюция болидов «Формулы-1»

История вопроса. 1-я часть

За неполные 70 лет своей истории «Формула-1» из гонок достаточно примитивных переднемоторных машин превратилась в королеву автоспорта, болиды которой создаются по космическим технологиям. Однако путь к славе и признанию был долог и тернист. Поначалу в «Формуле-1» соревновались автомобили, не так уж сильно отличавшиеся от серийных заводских.

Трудный старт. Период 1950–1960 годов

Идея создания чемпионата мира «Формула-1» появилась в конце 1930-х годов. В 1941 году именно эти соревнования должны были прийти на смену устаревшему чемпионату Европы по кольцевым автогонкам. Однако из-за Второй мировой войны реализацию пришлось отложить почти на десятилетие. Первый Гран-при «Формулы-1» состоялся 13 мая 1950 года на автодроме Сильверстоун. Сложная послевоенная экономическая обстановка тех лет предопределила регламент — максимум свободы в технологических решениях при минимуме финансовых затрат. Международная автомобильная федерация наложила ограничения лишь на объем двигателей — 1,5 литра с наддувом или 4,5 литра без компрессора. Неудивительно, что в таких условиях поначалу первенствовали довоенные машины. Два первых чемпионата выиграли пилоты на Alfa Romeo 158/159 Alfetta — гоночном автомобиле, разработанном аж в 1937 году. Именно на Alfa Romeo 159 свой первый титул в 1951 году завоевал легендарный Хуан Мануэль Фанхио.

Кузов и шасси

Каркас автомобиля состоял из стальных труб, обшитых металлическими листами. Для 30-х годов ХХ века такое решение было типичным для гоночных машин. Трубная рама хоть и была достаточно дорогой и изготавливалась на заказ, но обеспечивала повышенную безопасность и выдерживала большие продольные и поперечные нагрузки.

Двигатель

В Alfa Romeo 158/159 Alfetta использовался родной восьмицилиндровый 1,5-литровый двигатель с нагнетателем воздуха. Поначалу его мощность не достигала и 200 лошадиных сил, но к концу 1951 года мотор удалось форсировать более чем вдвое, что позволяло развивать на прямых скорость более 300 км/ч.

Аэродинамика

Вопросами аэродинамики в 1950-х годах почти не задавались, куда важнее была мощь мотора. Поэтому почти все болиды имели форму торпеды с передним расположением двигателя. Лишь Mercedes выделялся на общем фоне применением крыльев над колесами. Однако обтекатели сокращали обзор пилотам и так часто мялись, что от них пришлось отказаться.

Топливо

Первоначально правила не регламентировали состав горючего, поэтому в баки заливали «адскую смесь», состоявшую из метанола, бензола, авиационного керосина, ацетона и различных присадок. Но с 1958 года МАФ решила, что ради спонсорской поддержки производителей топлива стоит использовать бензин. Разрешалось применять только авиационный бензин с октановым числом от 100 до 130.

Тормоза и колеса

Поскольку в 1950-е годы скорости были не столь высоки, повышенного сцепления покрышек с трассой не требовалось. Поэтому на машины устанавливались колеса с узким профилем. Сбросить скорость позволяли обычные тормоза барабанного типа с гидравлическим приводом.

Подвеска

Как передняя, так и задняя подвеска поначалу были независимыми. В конструкции в основном использовались простые недорогие пружинные амортизаторы.

Пилот

Аргентинский «маэстро» Хуан Мануэль Фанхио — один из наиболее успешных пилотов в истории «Формулы-1». За семь полных сезонов он выиграл пять чемпионатов, причем четыре из них подряд. Фанхио — единственный гонщик, побеждавший в «Формуле-1» с четырьмя различными командами. Также Хуан Мануэль — самый пожилой чемпион мира, свой последний титул он завоевал в возрасте 46 лет и 41 дня.

Из торпед в крылатые сигары. Период 1960–1970 годов

В конце 1950-х — начале 1960-х «Формулу-1» накрыла первая волна инноваций. Начало технической революции положила британская команда Cooper, которая в 1957 году вывела на трассу гоночный автомобиль с двигателем, расположенным позади, а не впереди пилота. Это, казалось бы, достаточно тривиальное решение, кардинально изменило лицо «Формулы-1». Новая компоновка вкупе с новым кузовом — изобретенным инженерами Lotus монококом — позволила уменьшить размеры и вес автомобилей, что в свою очередь положительно сказалось на аэродинамике. Из торпед болиды превратились в машины-сигары. Значительно возросла скорость, но упали прижимная сила и сцепление с полотном. Из–за этого перед конструкторами гоночных автомобилей возникло немало новых сложных технических задач, решить которые удалось лишь в конце 1960-х. Одной из самых удачных моделей тех лет стал Lotus 49, на котором англичанин Грэм Хилл завоевал свой второй чемпионский титул в 1968 году.

Кузов и шасси

Одним из важнейших изобретений в «Формуле-1» 1960-х годов стал позаимствованный из авиастроения монокок — своеобразная копирка с усиленного фюзеляжа самолета. Он представлял собой короб из алюминиевых поперечных ребер, соединенных алюминиевыми боковинами и листами днища. Верхнюю часть кузова, носовой обтекатель и капот двигателя изготавливали из стеклопластика. В итоге корпус стал в три раза жестче и в два раза легче, да и лобовая площадь машины уменьшилась на 15%. Для того чтобы еще больше снизить сопротивление воздуха, пилота размещали полулежа. Впервые на корпусе машин появились дуги безопасности, дабы уберечь голову гонщика в случае переворота автомобиля.

Двигатель

Ради снижения скорости и уменьшения количества тяжелых аварий МАФ несколько раз меняла регламент чемпионата — мощность двигателей тем или иным способом искусственно занижали. К сожалению, практических результатов это не дало, ведь о безопасности тогда почти не думали. Пилотов даже не обязывали пристегиваться ремнями, поэтому в случае аварии гонщики зачастую просто вылетали из кокпита. На Lotus 49 в 1968 году устанавливали восьмицилиндровый двигатель объемом 3 литра и мощностью 410–430 л. с.

Аэродинамика

Необходимость повысить управляемость машин при растущих скоростях вынудила конструкторов вспомнить об антикрыльях, которые в «Формуле-1» фактически не применялись, но использовались в некоторых других гоночных состязаниях. Тесты показали, что разумное применение спойлеров позволяет сэкономить сразу несколько секунд на круге! Поэтому в 1969 году почти все автомобили приобрели вид бипланов-кукурузников: антикрылья имели высокие стойки, дабы избежать возмущенного потока воздуха, и присоединялись непосредственно к подвеске. Однако конструкция оказалась ненадежной и аварийно-опасной, поэтому МАФ предписала крепить спойлеры к корпусу машины, ограничила их площадь, а также запретила регулировать угол наклона крыла во время гонки.

Тормоза и колеса

Устаревшие тормоза барабанного типа повсеместно эволюционировали в дисковые, а спицевые колеса — в легкосплавные. Стремительно менялись и узкие покрышки — на широкопрофильные с меньшим диаметром. Дизайнеры придумывали специальные рисунки протектора, чтобы увеличить пятно контакта с трассой. Шинники использовали нейлоновый корд вместо хлопчатобумажного, в обиход вошли синтетические каучуки, обладавшие повышенной стойкостью к истиранию при хороших сцепных свойствах. Но наибольшую фантазию проявили британские инженеры, которые в 1969 году вывели на трассу… полноприводную модель болида Cosworth 4WD!

Подвеска

Конструкция передней и задней подвески Lotus 49 была сходной — двойные рычаги, которые воздействовали на пружины и амортизаторы, скрытые внутри корпуса.

Реклама

В 1960-е годы в «Формулу-1» проникла коммерческая реклама, и опять автором нововведения стал Lotus. Ранее командам помогали лишь поставщики топлива и шин, которые расплачивались продуктом. Появление на британских машинах рекламы одной из сигаретных компаний положило начало росту рекламных бюджетов.

Пилот

Норман Грэм Хилл — английский автогонщик, чемпион мира в классе «Формула-1» в сезонах 1962 и 1968 годов. Единственный пилот в истории автоспорта, выигравший все три самые престижные гонки планеты: «Инди-500», «24 часа Ле-Мана» и «Гран-при Монако». Отец Дэймона Хилла — чемпиона «Формулы-1» 1996 года. Любимый пилот автоконструктора Lotus Колина Чепмена.

Гонка технологий: период 1970–1980 годов

Период 1970-х годов можно назвать открытием эры современной «Формулы-1» — эры, в которой гонка технологий решает больше, чем гонка на самой трассе. Созданная в 1970 году гениальными конструкторами Lotus модель под номером 72 не только предвосхитила время, но и в чем-то стала прототипом даже нынешних болидов. К сожалению, эпоха 1970-х запомнилась не только этим. В погоне за техническим превосходством конструкторы подчас забывали об испытателях новшеств — пилотах. Либеральные правила и пренебрежение безопасностью превратили гонки в подобие русской рулетки — редкие Гран-при обходились без тяжелых аварий. «Я ухожу, потому что остался один. Кларк, Риндт, Кураж, Макларен, Боннье — все они погибли!» — так в 1974 году объяснил свое решение закончить спортивную карьеру трехкратный чемпион «Формулы-1» шотландец Джеки Стюарт.

Кузов и шасси

С точки зрения шасси Lotus 72 не так уж сильно отличался от сконструированного всего тремя годами ранее Lotus 49 — тот же алюминиевый монокок. Революционной стала клиновидная форма кузова и появление воздухозаборников по бокам кокпита. Отказ от расположенного на носу радиатора и плоскостная форма корпуса коренным образом улучшили аэродинамику и увеличили прижимную силу. Сравнительные испытания моделей 49 и 72 с одинаковым мотором показали, что на прямых новый Lotus был на 14 км/ч быстрее исключительно благодаря аэродинамике. В итоге в 1970-е годы автомобиль-клин полностью вытеснил устаревшие автомобили-сигары. В 1976 году МАФ наконец-то ужесточила требования к безопасности, обязав устанавливать на болиды переднюю дугу над приборной доской в пару к задней. Но главным врагом пилотов оставался огонь. При повреждении бензобаков машины вспыхивали как спички. Так, трехкратный чемпион мира австриец Ники Лауда остался жив после аварии на Нюрбургринге в 1976-м только благодаря тому, что из пылающего автомобиля его успели вытащить четверо других пилотов.

Аэродинамика

Главное изобретение начала 1970-х — боковые радиаторы вместо переднего — используется на болидах «Формулы-1» и по сей день. Однако в 1977 году конструктор Lotus Колин Чепмен поразил мир еще одной инженерной новинкой — перфорированным днищем кузова, которое ускоряло поток воздуха под машиной, создавая разницу давлений над и под автомобилем. Получившийся «присасывающий» эффект болида к земле назвали граунд-эффектом. Правда, в 1983 году применение граунд-эффекта запретили, поскольку на неровных трассах машины срывало с полотна и на скорости более 200 км/ч они становились совершенно неуправляемыми. Впрочем, создать «вакуум» под автомобилем можно было и более простыми способами. В качестве такого чуда техники в историю вошел Brabham BT46B с огромным вентилятором под задним антикрылом. Этот вентилятор-пылесос выполнял сразу две функции: охлаждения мотора и выкачивания воздуха из-под днища болида. К тому же Brabham BT46B вообще не нуждался в радиаторах, что здорово улучшало аэродинамику! Ники Лауда легко победил на этом «пылесосе» в первой же гонке, но «чудо-мобиль» тут же запретили: соперники жаловались на то, что вентилятор швыряет в них песок и камни, поднятые с трассы.

Двигатель

1970-е годы стали периодом абсолютного доминирования трехлитрового восьмицилиндрового атмосферного двигателя Ford Cosworth DFV, который при мощности в 470 л. с. был недорог и надежен. Его использовали практически все команды, за исключением, разумеется Ferrari, гордо и упорно бившейся над своим. В историю даже вошла фраза Колина Чепмена после неудачных испытаний на Lotus переделанной в автомотор авиационной турбины: «Гораздо приятнее побеждать, зная, что на твоей машине такой же Cosworth, как и у всех остальных!» Однако то, что в начале 1970-х не получилось у Чепмена, в их конце родилось у Renault. В 1976 году инженеры французской команды применили не механический наддув, а газотурбинный, оснастив полуторалитровый мотор турбокомпрессором, который мог развивать свыше полутора бар избыточного давления. И сразу же добились мощности в 510 л. с.! Правда, почти год понадобился только для того, чтобы страдавший от перегрева турбомотора «желтый чайник» Renault хотя бы доехал до финиша. Но в 1979 году Жан-Пьер Жабуй принес французской компании первую победу: в «Формуле-1» началась турбоэра.

Колеса и шины

1970-е вошли в историю «Формулы-1» как эпоха ожесточенных шинных войн. Уже в 1971 году Goodyear впервые предложила гоночные шины с протектором без рисунка — слики. Покрышки этой фирмы оптимально подходили для сухой трассы, однако в дождь лучшее сцепление было у Firestone. Поскольку выбор шин превратился в важнейший фактор, для принятия решения стал использоваться компьютер. Правильный выбор мог привести к двухсекундному преимуществу на круге, ошибочный — к соответствующей потере. Шинные компании постоянно проводили испытания в поисках лучшего химического состава для получения оптимального баланса между максимальными сцепными свойствами и износом шин. Они даже пытались найти лучшую комбинацию для каждой отдельной марки автомобиля на каждой отдельной трассе, поскольку ни один состав шин не подходил для всех типов автомобилей или всех типов шасси. Однако самый оригинальный способ решения проблемы сцепления в 1976 году предложил Tyrrell P34, конструкция которого предусматривала не четыре колеса, а сразу шесть! Четыре маленьких передних колеса обеспечивали хорошую управляемость и улучшенную аэродинамику. Джоди Шектер принес «шестиножке» первую победу на Гран-При Швеции уже в год дебюта, однако крест на идее поставил Goodyear, который отказался заниматься совершенствованием шин маленького диаметра.

Подвеска

Подвеска Lotus 72 была торсионной, сходной по концепции с примененной профессором Порше в конструкциях автомобилей марки Auto Union еще в 1930-х годах, но до того времени никем в «Формуле-1» не использовавшейся. Торсионы Lotus, изготовленные из хромоникелевого молибдена и расположенные внутри трубы, одним концом крепились к рычагу из пружинной стали. Кроме того, уже в начале 1970-х конструкторы Lotus 72 разработали революционную активную гидравлическую подвеску — систему подрессоривания автомобиля, которая управляет вертикальным перемещением колес относительно кузова. Такая система позволяет уменьшить до минимума крен кузова при торможении и разгонах. Разработана она была для того, чтобы при резком сбросе скорости в поворотах машина не цепляла низким носом асфальт, а при наборе не становилась на дыбы.

Тормоза

Новая клиновидная конструкция болидов позволила перенести тормоза внутрь кузова, тем самым уменьшив неподрессоренные массы и улучшив управляемость и аэродинамику автомобилей. Возникшая проблема с перегревом дисков решилась внедрением принудительной вентиляции от электромотора. Кроме того, зачастую в дисках сверлили многочисленные отверстия, чтобы увеличить поверхность соприкосновения с воздухом, и придумывали всевозможные воздуховоды для охлаждения. В конце 1970-х также начали экспериментировать с материалом накладок и самих дисков, в том числе и с углеволоконным композитом.

Пилот

Австриец Карл-Йохен Риндт — чемпион мира 1970 года по автогонкам в классе «Формула-1». Титул получил посмертно, так как разбился на трассе в Монце при проведении Гран-при Италии, но заработанных на предыдущих этапах очков хватило для победы. Причиной смертельной аварии стало требование Риндта снять со своего Lotus 72 заднее антикрыло, чтобы на прямых конкурировать с Ferrari, после чего его машина стала почти неуправляемой. В итоге во время квалификации Lotus Йохена сорвался с траектории на торможении и врезался в металлический отбойник. От удара гонщик влетел под приборную доску и мгновенно погиб. Риндт не любил привязных ремней и отрезал их, оставляя только плечевые лямки, которые не смогли его спасти. Использование ремней безопасности к тому моменту стало обязательным пунктом правил, но судьи не проверяли такие мелочи. Йохен Риндт — единственный в истории «Формулы-1» посмертный чемпион мира.

Для справки

ВТБ является титульным партнером российского этапа «Формулы-1» в Сочи — Formula 1 VTB Russian Grand Prix.

Что такое мощность двигателя, крутящий момент и удельный расход топлива

Изобретенный более 100 лет назад поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), на сегодняшний день все еще является самым распространенным в автомобилестроении. При выборе модели двигателя своего будущего автомобиля покупатель может предварительно ознакомиться с его основными характеристиками. В этой статье мы подробно расскажем об основных показателях двигателей внутреннего сгорания, что они собой представляют и как влияют на работу.

1. Основные показатели двигателя
2. Что такое мощность двигателя
3. Виды мощности
4. Как узнать мощность двигателя автомобиля
5. Что такое крутящий момент
6. Что такое расход (удельный расход) топлива
7. Внешняя скоростная характеристика (ВСХ)
8. Роль мощности и крутящего момента двигателя

Основные показатели двигателя

Сгорание топлива происходит внутри ДВС, в специальной камере цилиндра. Это приводит в движение поршень, который, совершая циклические возвратно-поступательные движения, проворачивает коленчатый вал. Таков упрощенный принцип работы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Основные характеристики ДВС можно оценить тремя основными показателями:

• мощность двигателя;
• крутящий момент;
• расход топлива.

Основные показатели ДВС

Рассмотрим более подробно каждый из этих показателей.

Что такое мощность двигателя

Под мощностью следует понимать физическую величину, которая показывает совершаемую двигателем работу за единицу времени. При вращательном движении мощность определяется как произведение крутящего момента на угловую скорость вращения коленчатого вала. Обычно она указывается в лошадиных силах (л.с.), но встречается измерение и в кВт.

Существует несколько единиц измерения под названием «лошадиная сила», но, как правило, имеется в виду так называемая «метрическая лошадиная сила», которая равная ≈ 0,7354 кВт. А вот в США и Великобритании лошадиные силы, касающиеся автомобилей, приравнивают к 0,7456 кВт, то есть как 75 кгс*м/с, что приблизительно равно 1,0138 метрической.

• 1 кВт = 1,3596 л.с. (для метрического исчисления);
• 1 кВт = 1,3783 hp (английский стандарт);
• 1 кВт = 1,34048 л.с. (электрическая «лошадка»).

Если же конвертировать мощность 1 лошадиной силы в киловатты (в промышленности или энергетике), то она будет примерно равна 0,746 кВт. Понятие лошадиная сила не входит в международную систему измерений (СИ), поэтому измерение мощности в кВт будет более правильным.

Чем больше мощность, тем большую скорость сможет развить автомобиль.

Виды мощности

Для определения характеристик двигателя применяют такие понятия мощности как:

• индикаторная;
• эффективная;
• литровая.

Индикаторной называют мощность, с которой газы давят на поршень. То есть, не учитываются никакие другие факторы, а только давление газов в момент их сгорания. Эффективная мощность, эта та сила, которая передается коленчатому валу и трансмиссии. Индикаторная будет пропорциональной литражу двигателя и среднему давлению газов на поршень.

Эффективная мощность двигателя будет всегда ниже индикаторной.

Также есть параметр, называемый литровой мощность двигателя. Это соотношение объема двигателя к его максимальной мощности. Для бензиновых моторов литровая мощность составляет в среднем 30-45 кВт/л, а у дизельных – 10-15 кВт/л.

Как узнать мощность двигателя автомобиля

Конечно, значение можно посмотреть в документах на машину, но иногда требуется узнать мощность автомобиля, который подвергался тюнингу или давно находится в эксплуатации. В таких случаях не обойтись без динамометрического стенда. Его можно найти в специализированных организациях и на станциях техобслуживания. Колеса автомобиля помещаются между барабанами, создающими сопротивление вращению. Далее имитируется движение с разной нагрузкой. Компьютер сам определит мощность двигателя. Для более точного результата может понадобиться несколько попыток.

Что такое крутящий момент

Крутящий момент двигателя рассчитывается по формуле: M = F*R, где F – это сила, с которой давит поршень, R – длина плеча (рычага). В нашем случае плечом будет расстояние от оси вращения коленчатого вала до места крепления шатунной шейки. Этот параметр измеряется в ньютонах на метр (Hм). 1H соответствует 0,1 кг, который давит на конец рычага длиной в метр.

Крутящий момент ДВС характеризует показатель силы вращения коленчатого вала и определяет динамику разгона автомобиля.

Что такое расход (удельный расход) топлива

Удельный расход топлива двигателя – это количество топлива, затрачиваемое для производства определенного количества энергии. Чем расход ниже, тем рациональнее будет использоваться топливо. Расход связан с эффективностью двигателя. Один двигатель может иметь разный расход топлива в зависимости от скорости и нагрузки.

Внешняя скоростная характеристика (ВСХ)

Внешняя скоростная характеристика двигателя показывает зависимость мощности, расхода топлива и крутящего момента от числа оборотов коленвала. Все эти параметры показываются графически в виде кривых.

Внешняя скоростная характеристика

На рисунке можно видеть кривые с обозначениями Pe – мощность двигателя, Mе – крутящий момент, ge – удельный расход топлива. Как видно, с ростом числа оборотов и мощности увеличивается расход топлива. Крутящий момент растет до определенного уровня, а затем идет на спад. В точке, где наиболее эффективный крутящий момент и мощность двигателя, будет самый оптимальный показатель расхода топлива.

Производители моторов борются за то, чтобы максимальный крутящий момент двигатель развивал в как можно более широком диапазоне оборотов («полка крутящего момента была шире»), а максимальная мощность достигалась при оборотах, максимально приближенных к этой полке. Такой двигатель и из болота вытянет, и в городе позволяет быстро ускоряться.

Внешняя скоростная характеристика дает оценку динамическим характеристикам автомобиля, определяет КПД и топливный расход при разных параметрах.

Высокий крутящий момент на более низких оборотах увеличивает тяговую силу агрегата, грузоподъемность и проходимость.

Роль мощности и крутящего момента двигателя

Для обеспечения лучших динамических показателей двигателя, производители стараются наделить силовой агрегат максимальным крутящим моментом, который будет достигаться в более широком значении оборотов двигателя.

Чтобы правильно оценить роль этих двух понятий, стоит обратить внимание на следующие факты:

• Взаимосвязь мощности и крутящего момента можно выразить в формуле: P = 2П*M*n, где Р – это мощность, M – показатель крутящего момента, а n – количество оборотов коленвала в единицу времени.
• Крутящий момент более конкретный показатель характеристики двигателя. Низкий крутящий момент (даже при высокой мощности) не позволит реализовать потенциал двигателя: имея возможность разогнаться до высокой скорости, автомобиль будет достигать этой скорости невероятно долго.
• Мощность двигателя будет возрастать с повышением оборотов: чем выше, тем больше мощность, но до определенных пределов.
• Крутящий момент увеличивается с повышением количества оборотов, но при достижении максимального значения показатели крутящего момента снижаются.
• При равных показателях мощности и крутящего момента более эффективным будет двигатель с меньшим расходом топлива.

Источник http://vtbrussia.ru/sport/auto/evolyutsiya-bolidov-formuly-1-chast-1/
Источник Источник http://techautoport.ru/dvigatel/teoriya/osnovnye-pokazateli-dvs.html