Achtergrond
Max Verstappen; Red Bull Racing

Formule 1-seizoen in 2018: de techniek van de bolides

Henk Wagenaar Hummelinck |
Ontwerp & Kunst, Vervoer & Logistiek

Een Formule 1-auto mag dan de ultieme racer zijn, maar toch verschillen de principes amper van die van een gewone auto. Maar terwijl de nadruk bij een normale auto vooral op ruimte, luxe en zuinigheid liggen, is er in de Formule 1 slechts één eigenschap die domineert: de wagen moet bovenal keihard gaan.

Dit weekend gaat het Formule 1-seizoen van start met de Grand Prix van Australië in Melbourne en zal blijken of Red Bull Racing dit jaar met Max Verstappen vanaf de eerste race mee kan doen om de knikkers.

Hoewel geen enkele Formule 1-auto zonder een goede motor toe kan, zorgt de aerodynamica van de Formule 1-wagens voor de grootste onderlinge verschillen. Dit komt omdat de Internationale Motorsport Federatie (FIA) de krachtbron aan strenge regels onderwerpt, waardoor verschillen in vermogens relatief klein zijn. Aerodynamica betekent letterlijk de kennis van de bewegingen van lucht en is anno 2018 nog steeds zo’n gecompliceerde wetenschap, dat er op dit gebied nog steeds ruimte is voor slimmigheden en soms zelfs ontdekkingen. De term ‘rijwind’ wordt vaak gebezigd, maar deugt niet, omdat het niet deze wind is die beweegt, maar de auto die zich door de wind heen werkt. Dat doorklieven van die stilstaande lucht kost verreweg het grootste deel van het motorvermogen. Zonder rijwind zou in theorie een paar pk al genoeg zijn om de auto voort te bewegen.

Rijwind is voor een raceauto zowel vijand als vriend, want hij zorgt ook indirect voor een optimale wegligging. De carrosserie van een Formule 1-auto is namelijk voorzien van een aantal schuin omhooglopende carrosseriedelen (primair de voor- en achtervleugel), waar de rijwind tegenaan blaast. Na contact wordt de rijwind in opwaartse richting afgeketst (lift), wat resulteert in een tegengestelde, dus neerwaarts gerichte kracht (downforce). Deze drukt de auto, en daarmee de wielen, tegen de grond aan. Extra druk op de gestuurde voorwielen maakt dat de coureur zijn auto exact op het gewenste moment een bocht kan insturen. De extra druk op de aangedreven achterwielen genereert meer grip, waardoor het motorvermogen effectiever op het wegdek kan worden overgebracht. Bovendien kan de auto zo sneller door een bocht rijden, doordat het moment van uitbreken dankzij die extra grip wordt uitgesteld. In flauwe bochten, waarbij de vleugels dankzij de hoge snelheid veel downforce genereren, ondervinden coureurs 5 tot 6 g aan zijwaartse versnellingen.

Lees verder onder de foto

Vorig jaar won Mercedes-coureur Lewis Hamilton de Grand Prix (copyright: Morio)

Helaas heeft alles zijn prijs: iedere pk die aan downforce wordt besteed, kan namelijk niet meer worden gebruikt om harder te gaan. Het is echter een kwestie van kiezen: op bochtige circuits is wegligging belangrijker dan pure snelheid, dus dan wil je een afstelling waarbij veel neerwaartse kracht wordt gegenereerd (high-downforce set-up). Op snelle banen is het net omgekeerd (low-downforce set-up).

Red Bulls geheime wapen

Het begrip ‘rake’ duidt op de hellingshoek van de wagenvloer (met de neus naar beneden gericht) ten opzichte van het wegdek. Achter de achteras buigt de wagenbodem geleidelijk omhoog. Dankzij deze diffuser (‘verstrooier’) wordt de snelheid van de onder de auto door stromende rijwind beïnvloed, waardoor aldaar ook de druk zakt en dus het drukverschil boven en onder de auto toeneemt. Dit fenomeen alleen al is verantwoordelijk voor circa een derde van de totale neerwaartse kracht. Dankzij die rake begint de diffuser in de praktijk al bij de vooras te functioneren en dus niet pas bij de achteras. Deze vondst is bedacht door Red Bulls sterontwerper Adrian Newey. Die rijwind mag er als gevolg van die naar achteren toe steeds groter wordende bodemspeling natuurlijk niet onderweg tussenuit knijpen. Newey bouwde daarom aan beide kanten van die luchttunnel een aerodynamische ‘muur’ van kunstmatig opgewekte vortices (luchtwervelingen) die de rijwind op het rechte spoor (naar de diffuser) houden. Doorgaans wil je een laminaire luchtstroom langs de auto leiden, expres luchtwervelingen opwekken om er een aerodynamisch voordeel uit te halen. Dat gold als een van die recente doorbraken op het gebied van de aerodynamica. Adrian Newey heeft nog meegewerkt aan de RB14, de wagen waar Max Verstappen dit jaar de strijd met Mercedes en Ferrari aan gaat, maar deed na de voor Red Bull redelijk goed verlopen wintertest in Barcelona een stapje terug in het team van Red Bull Racing.

Ongeleid projectiel

Formule 1-auto’s hebben een eenzelfde soort verbrandingsmotor als normale consumentenauto’s. Door de jaren heen werd de maximumcilinderinhoud stapsgewijs teruggebracht van 4.500 cc (begin jaren ‘50) tot 1.600 cc nu. Downsizing was er in de Formule 1 dus al ver voordat het woord werd uitgevonden.

Je zou denken dat een Formule 1-auto gebaat is bij een motor met zoveel mogelijk vermogen. Dat was ook zo, totdat midden jaren ’70 de uitlaatgasturbo (een uitvinding uit 1905) werd herontdekt. Een turbo is een door de uitlaatgassen aangedreven turbine die op zijn beurt een compressor aandrijft die de lucht comprimeert voordat deze de motor in gaat. Meer lucht betekent dat je meer brandstof kunt verbranden waardoor er nog meer gas uit de uitlaat stroomt, etc. Door deze positieve feedback loop in steeds beter gefabriceerde motoren nam de motortechniek zo’n hoge vlucht, dat er beperkende regels (voornamelijk ten aanzien van het maximumtoerental en maximum brandstofverbruik) moesten worden opgesteld om te voorkomen dat een Formule 1-auto een ongeleid projectiel met vele duizenden pk’s zou worden.

Al jaren wordt 750-900 pk (ongeveer 550-660 kW) als acceptabele bovengrens beschouwd. Downsizing geld ook voor het aantal cilinders. Hoe meer cilinders, des te meer motorvermogen maar ook des te meer dorst. Ferrari was jarenlang de kampioen van de fameus huilende V12-motoren, maar een moderne Formule 1-motor moet een V6-motor zijn. Daar zit weliswaar een uitlaatgasturbo op, maar ook die is om dezelfde redenen aan strikte regels gebonden. Dertig jaar geleden genereerde een 1.500 cc-turbomotor al tegen de 1.500 pk (1.100 kW) en daar leek ieder jaar zo’n 200 pk (145 kW) bij te komen.

Lees verder onder de foto

Een van de innovaties van dit jaar is de halo (copyright:

Sinds 2014 hebben Formule 1-auto’s voor het eerst hybride aandrijving, bestaande uit een benzinemotor met twee zogenaamde MGU’s. Zo’n Motor-Generator Unit is een gecombineerde dynamo/elektromotor. De MGU-K (met de K van Kinetic) onttrekt tijdens het remmen energie aan de achteras. Deze remenergie wordt, na omzetting in elektriciteit, tijdelijk in een accu opgeslagen, klaar om hergebruikt te worden. De MGU-H (van Heat) doet hetzelfde bij het na-ijlende asje van de uitlaatgasturbo. Bij het uitaccelereren wordt de opgeslagen energie gebruikt om de turbo sneller op druk te brengen en om de hoofdmotor te ondersteunen. De totale ERS (Energy-Recovering System; energieregeneratiesysteem) drijft het motorvermogen gedurende 30 seconden op met 160 pk (120 kW) tot een dikke 900 pk (660 kW). Mercedes claimt voor dit jaar al 1.000 pk (735 kW); als dat klopt kunnen we binnen afzienbare tijd nieuwe vermogensbeperkende maatregelen verwachten. Hoe belangrijk zo’n ERS is? Ervaring heeft geleerd, dat een compleet falend systeem een auto per ronde ongeveer één seconde langzamer maakt.

Chassis en carrosserie

Een Formule 1-auto heeft een doosvormig monocoque-chassis, dat is opgebouwd in drie lagen: zacht aluminium, keiharde koolstofvezel en weer zacht aluminium. De term monocoque staat voor ‘enkelvoudige schaal’ zoals een ei of een pingpongbal die heeft: superstijf en vrijwel onbeperkt belastbaar. Omdat er aan de bovenkant een gat voor de cockpit in zit, heet het officieel geen monocoque maar semi-monocoque. Tegen de achterkant is (ter hoogte van de rug van de coureur) achtereenvolgens de motor, de versnellingsbak en het differentieel geschroefd. De coureur en de brandstoftank bevinden zich samen in het achterste deel van de monocoque, dat heel toepasselijk survival cell heet. Verdere bescherming wordt geboden door twee verticale rolbeugels (de voorste ter hoogte van de knieën van de coureur, de achterste boven zijn hoofd), de dit jaar ingevoerde halo (een soort horizontale rolbeugel boven de cockpit) plus kreukelzones rondom.

Als een Formule 1-auto op de motor remt, zit hij al op de helft van zijn remcapaciteit

Op en aan de monocoque geschroefd bevinden zich de losse delen van de carrosserie, waaronder de neus met voorvleugel, de bodemplaat, de side-pods (zij-uitbouwsels voor radiateurs en elektronische componenten), de motorkap inclusief airbox (de luchtinlaat bovenop de motor), de barge-boards (verticale rijwindgeleiders ‘achter’ de voorwielen), de achtervleugel en de diffuser (de omhoog gebogen achterkant van de bodemplaat die een verschil in luchtdruk boven en onder de auto genereert en zodoende voor 35 % van de totale neerwaartse kracht zorgt).

Cockpit, dashboard, schakelmechanisme

De cockpit (letterlijk: arena voor hanengevechten) is de werkplek van de coureur. Dankzij zijn safety harness (zespuntsgordel) zit hij muurvast in zijn op maat gemaakte stoeltje. Ten behoeve van de aerodynamica en een laag zwaartepunt zit hij zo laag in de auto, dat hij amper over de neus heen kan kijken. De enige plek voor een soort dashboard is het midden van het stuurwiel, dat overigens eerder rechthoekig dan rond is. Schakelen geschiedt halfautomatisch (dus zonder koppelingspedaal) via twee vlak onder het stuurwiel aangebrachte flippers. De ideale coureur is klein en licht en kent geen engtevrees. Iedere kubieke centimeter en iedere kilogram minder is pure winst.

Wielophanging, vering, schokdemping

Elk wiel ‘hangt’ aan de auto met behulp van twee horizontale V-vormige draagarmen. Verticale wielbewegingen worden door middel van push rods (duwstangen) overgebracht naar de veren en schokdempers, die allebei (van buitenaf onzichtbaar) bovenin de monocoque zijn ingebouwd. Een schroefveer absorbeert wieltrillingen en geeft die door aan een schokdemper, die ervoor zorgt dat die trilling niet langer dan nodig voortduurt. Formule 1-auto’s hebben vóór vaak nog een derde, in het midden geplaatste schokdemper (trillingsdemper) als link tussen de beide gebruikelijke schokdempers.  

Remsysteem, ABS

Het remsysteem is bijna zoals bij een gewone consumentenauto, alleen extreem overgedimensioneerd, en dat bij een auto die half zo zwaar is als een middenklasse-personenauto! De maximale remvertraging bedraagt, mede met dank aan koolstofvezel remschijven, 5 tot 6 g (daarboven zou de coureur buiten bewustzijn raken). Als een Formule 1-auto op de motor remt, zit hij al op de helft van zijn remcapaciteit. De coureur moet tijdens een race anderhalf uur lang keihard kunnen trappen, want rembekrachtiging is taboe evenals ABS, traction control en andere rijhulpsystemen. Dat is de enige manier om de voertuigelektronica controleerbaar te houden.

Wielen

Heel vreemd: Formule 1-auto’s staan nog steeds op 13-inch-wielen, terwijl bij doodgewone personenauto’s 15 inch of meer doodnormaal is. Als de FIA ooit 17 of 19 inch zou willen invoeren, dan moeten daarvoor praktisch nieuwe auto’s worden gebouwd.

Banden

Pirelli is de enige bandenleverancier in de Formule 1. Zo worden peperdure en niet ongevaarlijke bandenoorlogen voorkomen. Racebanden zijn qua structuur en rubbersamenstellingen totaal anders dan ‘onze’ banden. Droogweerbanden hebben geen profiel en heten daarom slicks (kaal, glad). Er zijn in totaal tien verschillende droogweer-compounds (rubbersamenstellingen).

Rembekrachtiging is taboe evenals ABS, traction control en andere rijhulpsystemen

Ten behoeve van de toeschouwers zijn de betreffende bandwangen gekleurd, vanaf roze (voor hyper-soft) tot oranje (super-hard). Op zachte banden ga je sneller, maar ze gaan ook minder lang mee. Met slicks op een nat wegdek rijden zou direct aqua-planing veroorzaken. Daarom zijn er ook licht geprofileerde intermediates (groen, voor op een halfnatte baan) en zwaar geprofileerde regenbanden (donkerblauw). Pirelli neemt altijd per circuit drie droogweer-compounds mee, waaruit de teams dan kunnen kiezen. Iedere coureur moet er tijdens een race minstens twee gebruiken. Hij moet dus onderweg altijd een bandenstop incalculeren - of meer als de bandenslijtage daartoe aanleiding geeft.

Veiligheid

Sinds de komst van de koolstofvezel monocoque aan het begin van de jaren '80 zijn Formule 1-auto extreem veilig geworden. Dodelijke ongelukken komen dan ook vrijwel niet meer voor – andere ongelukken wel, maar die lopen vaak wonderlijk goed af. Zoals hierboven vermeld worden coureurs dan ook buitengewoon goed beschermd. Ook de circuits zelf zijn beveiligd door uitloopstroken, vangrails en bandenmuren – behalve het beroemdste circuit van allemaal: Monte Carlo (waarvoor de gebruikelijke veiligheidsmaatregelen niet schijnen te gelden).

Het concept

Er is nog nooit een Formule 1-auto met voorwielaandrijving gemaakt, dus je kunt wel aannemen dat achterwielaandrijving (vierwielaandrijving is verboden) de voorkeur verdient.

Het motorvermogen moet zo effectief mogelijk op het wegdek worden overgebracht. Dus moet er zoveel mogelijk massa rusten op de aangedreven wielen (hier dus de achterwielen). Daarom zit de motor al sinds de jaren '60 achterin. Kortom: bij vrijwel elke personenauto zit alles voorin, bij een formule-auto zit alles juist achterin.

Bij zowel een personenauto als een formule-auto moet alles van enig gewicht zich tussen de voor- en achteras bevinden. Bij een personenauto levert dat maximale interieurruimte op, bij een formule-auto de best mogelijke wegligging.

 

Onze voorspelling voor seizoen 2018

Ferrari mag dan tijdens de afgelopen acht testdagen in Barcelona de snelste tijd hebben gereden, maar dat zegt niet zo veel. Ten eerste is het belangrijker om probleemloos heel veel ronden te rijden, ten tweede is het nog maar de vraag in hoeverre de andere teams zich volledig hebben gegeven. Want waarom zou je de vijand wijzer maken? Algemeen wordt wereldkampioen Mercedes opnieuw als favoriet gezien. Red Bull deed het oneindig veel beter dan bij de tests van vorig jaar, maar het hangt nu van de Renault-motor af of ze Mercedes aankunnen. Red Bull of Ferrari, daar is geen zinnig woord over te zeggen. Redelijk ver achter de grote drie komt een compact middenveld met Renault, McLaren (snel maar onbetrouwbaar), Haas en Force India. Toro Rosso, Williams en Sauber vormen in die volgorde de achterhoede.

Deel deze pagina
Abonnement

Bestel nu GRATIS 2 proefnummers TW


Wilt u lid worden, een los nummer aanvragen of een adreswijziging doorgeven? Neem dan contact op met MijnTijdschrift (088-2266622). 

Of bekijk ons aanbod van abonnementen.

Ontvang de nieuwsbrief

Meld je nu aan!

Vision & Robotics

Vision & Robotics is hét onafhankelijke vakblad voor machinebouwers, system integrators en eindgebruikers van productielijnen in de maak- en agro-/foodindustrie. 

Graag meer lezen over onderwerpen zoals robotica, sensoren, kunstmatige intellegentie en nog veel meer klik hier

Vision & Robotics heeft ook een nieuwsbrief! klik hier om je in te schrijven.

Naar boven