Grotere wielen, kleinere vleugels en de terugkeer van het grondeffect | Technisch Weekblad
Achtergrond

Formule 1 moet volgend jaar nog spannender


Grotere wielen, kleinere vleugels en de terugkeer van het grondeffect

Het Formule 1 seizoen is momenteel spannender dan het in de afgelopen jaren geweest is, maar als het aan de internationale autosportfederatie FIA ligt zijn er volgend jaar meer teams dan Red Bull Racing en Mercedes die om de wereldtitel strijden. Het instrument daarvoor? Een nieuw technisch reglement.

De grootste kritiek op de Formule 1 is dat races voor de neutrale toeschouwer vaak saai zijn, omdat coureurs te weinig kunnen inhalen. Daarvoor bestaat een kunstgreep waarbij de achtervleugel wegklapt op het moment dat je voor een recht stuk binnen een seconde van je voorganger zit. Maar zelfs met die kunstgreep zijn er races waar er niet ingehaald wordt bij de koppositie. Dit DRS (drag reduction system) zal er volgend jaar nog wel zijn, maar moet op termijn weer uit de autosport verdwijnen.

De reden voor het geringe aantal inhaalacties is dat de bolides elkaar slecht kunnen volgen. Voor de snelheid in de bochten, het remmen en het uitaccelereren zijn F1-wagens namelijk in hoge mate afhankelijk van downforce. De voorvleugel, achtervleugel en de vloer van de auto zijn elk voor ongeveer 33% verantwoordelijk voor de neerwaartse druk, en dus meer grip van de banden op het wegdek. Die spoilers werken allemaal optimaal wanneer de wagens door stilstaande lucht rijden. Er is verder geen betoog voor nodig om voor te stellen dat een F1-bolide die met 180 km/h een bocht neemt, de lucht achter zich verstoort. Daardoor kunnen auto's die er kort achter zitten, de bocht juist minder snel nemen.

Zelfs op circuits als Monza, waar lange rechte stukken en langzame chicanes elkaar afwisselen, komen de auto's vaak niet dicht genoeg bij elkaar om er een boeiend spektakel van inhaalacties van te maken. De laatste bocht voor het rechte stuk is daar namelijk een lange flauwe bocht (hoge snelheid, hoge downforce), waarbij het uitaccelereren en het laatste deel van de bocht samenvallen. De auto's leunen dus lange tijd op de neerwaartse druk die de vleugels en vloer genereren, en pas ver op het rechte stuk zie je dat coureurs de voordelen van een slipstream kunnen pakken. Nieuwe technische reglementen moeten deze effecten tegen gaan.

Langzamere en betere wielen

De wielen zijn in grote mate verantwoordelijk voor de verstoring van de lucht. Immers, als een auto met open wielen met 180 km/h rijdt, zal de bovenkant van de band met 360 km/h naar voren bewegen. Om wervelingen die dit opwekt tegen te gaan krijgen de nieuwe auto's waarschijnlijk wieldoppen met een glad profiel en voorgeschreven aerodynamische elementen aan de binnenkant van de banden die de luchtstroom minder verstoren.

De wielen worden ook groter. De velgen gaan van 13 inch naar 18 inch en de buitendiameter van de banden gaat van 670 mm naar 725 mm. Dat maakt dat de wangen van de band – het deel tussen het loopvlak van de band en de rand van de velg – van 170 mm naar 135 mm gaan. Bij reguliere straatauto's worden grote lichtmetalen velgen en plattere banden altijd als extra sportief aangeprezen, maar in de praktijk zijn er vele redenen waarom ze eigenlijk langzamer zijn.

Formule 1 teams kijken altijd extra kritisch naar gewichtsbesparing in de roterende elementen, zoals tandwielen in de versnellingsbak, wielen of de rotors in de elektromotoren. Zo tellen roterende massa's lineair bij het reguliere gewicht van de bolide op en is er extra kracht voor nodig om de draaibeweging erin te krijgen. Een draaiend tandwiel moet in de eerste plaats met de hele auto meebewegen en in de tweede plaats moet de draaibeweging in gang gezet worden. Roterende massa's maken een auto dus langs meerdere paden langzamer. Vervolgens is het zo dat dit effect voor een wiel waarbij de massa ver bij het middelpunt vandaan zit, groter is dan voor een aandrijfas waar de massa dicht bij de rotatieas ligt. Als je de wielen groter maakt, wordt de auto in zijn geheel dus zwaarder en de roterende massa's worden zwaarder. Dat maakt de auto's langzamer.

Daarnaast zie je in slow motions vaak dat de banden vervormen wanneer de bolides over de zogenaamde kerb stones aan de binnen- of buitenkant van de bochten rijden. De huidige dikke banden zorgen voor een groot deel voor de vering in een F1-wagen. Momenteel zijn de F1-teams hard aan het nadenken waar ze die demping volgend jaar vandaan moeten halen. Het licht voor de hand dat teams onderdelen in de wielophanging, zoals veren en dempers, zwaarder uit moeten voeren. Mede door de grotere wielen en elementen daaromheen neemt het gewicht van F1-wagens volgend jaar met 40 kg toe tot 790 kg.

Interessanter voor techneuten

De technisch directeur van het Mercedes F1 Team heeft gezegd dat de grote wielen alles bij elkaar voor twee seconden langzamere rondetijden kunnen zorgen. Zijn er dan geen voordelen? Bandenleverancier Pirelli denkt dat ze voor volgend jaar veiligere banden kunnen maken, en klapbanden, zoals Max Verstappen dit jaar in Baku kreeg, in leidende positie en bij hoge snelheid, zullen minder snel voorkomen. Ook zijn de nieuwe banden relevanter voor de technologie die Pirelli voor straatauto's toepast.

Ook is een dikke band met veel lucht erin onvoorspelbaar. Het oscilleert en vibreert. Bij verschillende temperaturen en gewichten van de auto (tijdens de race gaat er 100 kg brandstof uit) gedragen de banden zich heel anders. Bovendien schrijven Pirelli en de FIA vaak de bandendruk voor. Hier valt dus weinig aan af te stellen en engineeren voor de teams. Plattere banden, met minder lucht erin, zorgen ervoor dat componenten waar je wel invloed op hebt belangrijker worden. Zoals het afstellen van de veren en dempers. Dat maakt het met name voor de techneuten in het team tot een interessantere sport.

Trucje

In 1979 kwam het Formule 1 Team van Lotus met een vondst die zijn auto's destijds juist twee seconden per ronde sneller maakte. Het betroffen lange tunnels onder de auto die naar achteren toe breder werden. Hierdoor ontstond een vacuüm onder de auto die de wagen tegen het wegdek zuigt, zonder dat het veel luchtweerstand oplevert.

Zogenaamde langs de rand van de carrosserie zorgden ervoor dat lucht echt in deze venturi tunnels gevangen bleef. Die skirts zijn verticale onderdelen van de carrosserie die dicht tegen het wegdek liggen, voorzien van keramische strips aan de onderkant die slijtage door contact met het wegdek tegen gaat. Het duurde enige tijd voordat de concurrentie en de FIA door hadden hoe dit trucje werkte, en skirts en venturi tunnels werden later verboden omdat snelheden uit de hand liepen. Opvallend was destijds ook dat Lotus met kleinere vleugels kon rijden en minder luchtweerstand had. Het betrof dus een vondst die zowel op de rechte stukken, als in de bochten voor extra snelheid zorgde.

Red Bull Racing probeert dit trucje overigens nog steeds toe te passen door de auto hoger op zijn achterwielen te zetten en te rijden met een zogenaamde hoge rake. Zo ontstaat er naar achteren toe een vacuüm onder de auto, alleen moet je inventiever zijn om de lucht onder de auto vast te houden. Skirts zijn verboden, daarom werkt Red Bull Racing waarschijnlijk met subtiele opgewekte luchtwervelingen langs de randen van de vloer, die lucht gevangen houden onder de schuin naar achteren omhooglopende vloer. Dit werkt minder efficiënt dan bij Lotus in 1979, maar het lijkt erop dat Red Bull op deze manier compenseert voor het geringere motorvermogen dat ze hebben ten opzichte van de concurrentie.

Grond effect

Voor het 2022 seizoen mogen F1 teams weer auto's gaan bouwen die gebruik maken van dit zogenaamde ground effect dat de FIA in de jaren '80 juist verbood. In de lengterichting komen lange tunnels onder de bolides te lopen die lage druk onder de auto creëren. Downforce die op deze manier opgewekt wordt, verstoort de lucht achter de auto veel minder. F1 Teams zullen de voorvleugel hoger op de neus monteren om de luchtstroom richting deze tunnels te optimaliseren.

Ook gaat de FIA voorschrijven dat de voor- en achtervleugels kleiner moeten, waardoor luchtwervelingen achter de auto afnemen. Bovendien zullen kleine vleugeltjes, randjes en sleuven in de carrosserie verboden worden. Alles om de auto's eenvoudiger en gelijkwaardiger te maken. Zo moeten de auto's de lucht achter zich minder verstoren en elkaar beter kunnen volgen.

Het effect van de zogenaamde vuile lucht op een F1-auto werd dit jaar tijdens de Grand Prix van Engeland pijnlijk duidelijk. Met name de voorvleugel werkt minder goed in vuile lucht, wat het insturen in hoge snelheidsbochten extra lastig maakt. In Copse Corner, een flauwe knik naar rechts op het circuit van Silverstone, schoven de insturende wielen van Lewis Hamilton bij meer dan 250 km/h door, belande zijn linker voorwiel tegen de wagen van Max Verstappen en schoof de Nederlander met een enorme klap van 55G zijwaarts tegen de vangrail.

Het nieuwe technisch reglement moet dit soort duels veiliger maken door auto’s beter bestuurbaar te maken en moet er bovendien voor zorgen dat dit soort duels vaker voorkomen op de baan. Opmerkelijk aan de wijzigingen in het technisch reglement voor 2022 is dat een vondst uit de jaren '70 moet compenseren voor grotere velgen en wielen die we anno 2021 in het straatbeeld juist hip en sportief vinden, zonder dat ze dat feitelijk zijn.

De motoren, brandstof en relevantie voor de weg

Al jaren probeert de FIA meer autobouwers aan boord te krijgen voor de levering van motoren aan F1-teams. Momenteel gaat het om Ferrari, Mercedes, Honda en Renault. Dit verloopt moeizaam omdat motoren zo complex zijn dat een inhaalslag voor motorbouwers die niet vanaf 2013, met het huidige motorreglement, meedoen praktisch niet te maken valt. Honda is de enige motorbouwer die dat de afgelopen jaren voor Red Bull Racing en Max Verstappen succesvol voor elkaar gekregen heeft.

De F1-wagens maken gebruik van een 1,6 l V6 interne verbrandingsmotor voorzien van een turbo. De achterwielen zitten bovendien gekoppeld aan een motor-generator unit (MGU) die remenergie of overtollige energie die de motor in bochten levert kan omzetten in elektrische energie. De as van de turbo zit ook gekoppeld aan een MGU, waardoor F1-bolides zelfs energie terugwinnen uit de na-ijlende turbo en deze bovendien weer op druk kunnen brengen om de zogenaamde turbo-lag bij het accelereren tegen te gaan. Dat laatste onderdeel is bijzonder complex en een reden voor nieuwe autofabrikanten om niet toe te treden tot de F1.

In 2026 gaat ook het motorreglement op de schop. Het valt te verwachten dat de accu en elektromotoren een steeds prominentere rol gaan spelen in het zo snel mogelijk de baan rondgaan. De turbo zal vereenvoudigd worden, omdat dat energieterugwinsysteem nooit in straatauto's zal worden toegepast. Met de opkomst van elektrisch rijden op de reguliere weg zal de F1 er een zware dobber aan hebben om zijn relevantie voor de weg nieuw leven in te blazen. Met een beetje fantasie kun je wel verre toekomstscenario's schetsen. Waterstof? Lussen in het asfalt waardoor je al rijdend batterijen kunt opladen?

Momenteel moeten F1-bolides voor 5,75% op biobrandstof rijden. In 2022 moet dat naar 10% en moet het bovendien tweede generatie bio-ethanol zijn uit restafval (en niet uit speciaal daarvoor groeiende gewassen). Dat percentage zal in de loop van het komende decennium naar 100% toe bewegen. Dat zorgt ervoor dat de grote oliemaatschappijen (waaronder Shell) die de F1 sponsoren, ook een klein stukje voor de maatschappij relevante technologie kunnen blijven ontwikkelen in de autosport.

Ontvang de nieuwsbrief

Meld je nu aan!