ОСТАНОВИТЕ БОЛИД, Я СОЙДУ

Формула-1 – это скорость. Но не бывает сумасшедшей скорости без торможения, как не бывает света без тьмы! Поэтому на протяжении уже более чем 70-летней истории Формулы, каждый новый рубеж в скорости параллельно заставлял конструкторов искать и решение для соответствующего торможения. Кстати, если спросить младшего пилота Формулы после его первого теста болида F1, что его больше всего впечатлило, часто ответом становятся именно тормоза. Которые должны помочь замедлить автомобиль, например, на трассе Marina Bay Street Circuit в Сингапуре, где на 7 повороте тормозная сила составляет 4,98G. В то время как в космическом шаттле при входе в атмосферу Земли – 3G…

Устройство
Компоненты тормозной системы болида Формулы-1 – как у обычной машины: диски, суппорты, педали, главные цилиндры, трубы между ними.

Кстати, несмотря на доступные технические возможности увеличить эффективность тормозов и оптимизировать их использование пилотами, FIA жёстко регулирует допустимые технические детали. Усилители тормозов и управляющая электроника запрещены, чтобы не слишком облегчать пилотам жизнь, дать им возможность проявить своё мастерство и сохранять зрелищность соревнований. Задние тормоза работают на электрическом блоке brake-by-wire, о котором мы расскажем ниже, но его использование законно: он не является полноценной и самостоятельной электронной системой торможения, а находится под контролем пилота.

Итак, при движении автомобиля на скорости около 340 км/ч на подходе к 13-му повороту монреальской трассы Circuit Gilles Villeneuve, пилот тормозит всего 2,09 секунды, сбрасывая скорость за это время до 133 км/ч! Тормозной путь при этом составляет 122 метра, то есть около 20 длин болида. Конечно, секрет здесь не только в тормозной системе, но и в широких шинах слик, огромной прижимной силе и мощных ногах пилота (о чём мы рассказывали совсем недавно!).

Максимальное усилие требуется в начале торможения, когда прижимная сила наиболее велика. При этом пилот не просто выжимает и отпускает педаль, а ослабляет нажатие очень аккуратно, по мере растущего ослабления прижимной силы, таким образом балансируя замедление с учетом текущего сцепления.

Собственно, сочетание прижимной силы, шин и тормозной системы и делает болиды F1 сильнейшими машинами в автоспорте, а для остановки автомобиля на скорости 300 км/ч за несколько секунд требуется идеально откалиброванное и отработанное сочетание тормозной силы (downforce), механики и электроники.

Диски, суппорты
На болидах F1 используются карбоновые диски и колодки с алюминиевыми шестипоршневыми суппортами.

Углеволокно, оно же карбон, используется по двум основным причинам: этот материал легче стали и лучше справляется с работой при высокой температуре. Диски и колодки изготавливаются из одинакового фрикционного (выдерживающего избыточное трение) материала, чтобы скорость их износа совпадала.

Поскольку тормозные диски F1 лучше всего работают при 350-1000°С, они совершенно не подходят для использования на низких скоростях и при низкой температуре. Для сравнения, диск простого легкового автомобиля можно использовать при температуре ниже 0 и до 500°С. Если температура использования карбоновых дисков слишком низкая (меньше 300°C), тормоза недостаточно прижимаются, а если слишком высокая (больше 1000°C), материал будет окисляться и быстрее изнашиваться, диск может разрушиться. Поэтому конструкторы F1 знатно трудятся, чтобы спроектировать тормозную систему с поддержкой нужной рабочей температуры.

Первоначально в карбоновых дисках делали радиальные охлаждающие отверстия на манер обычных стальных дисков. По мере роста мощности тормозов, количество охлаждающих отверстий росло: 100 штук в 2005 году и около 1500 в передних тормозах в 2019 году!Но в 2022 их количество ограничили: можно не более 1100 отверстий спереди и около 900 сзади. Зато увеличился диаметр – минимум 3 мм (ранее 2,5 мм).

В то же время с 13-дюймовых шин Формула перешла на 18-дюймовые, что увеличило диаметр дисков передних тормозов с 278 до 328 мм, а задних с 266 до 280 мм. За счёт увеличения колес увеличился и размер воздушного канала, что увеличило скорость движения воздушного потока в тормозной механизм для охлаждения компонентов и улучшило отвод тепла, образующегося внутри. Диск крепится к оси через промежуточное кольцо – ступицу, которая идеально подходит под внутренние шлицы на диске и шлицы на оси. Сами шлицы выполняют большую часть работы по передаче крутящего момента от диска к оси. В этом процессе также участвуют болты, хотя и ограниченно.

Воздух для охлаждения проводится по карбоновым каналам в охлаждающее отверстие на внутренней стороне диска. Каналы могут выводиться либо непосредственно на диск, либо идти через ступицу на диск.

Диск прижимается суппортом, который жестко настраивается, чтобы ограничить его потенциальную производительность. На данный момент в суппортах болидов F1 используется шесть поршней и два крепления из алюминиевого сплава. Главную роль в проектировании суппортов играет программное обеспечение, основанное на методе конечных элементов. С помощью инструментов моделирования просчитывается максимальная тепловая нагрузка и эффективность воздушного канала.

Педали
Главные элементы тормозной системы – это, конечно, диски и суппорты, но запускает и управляет всем действом тормозная педаль.

По правилам Формулы, в педали тормоза нельзя использовать усилители тормозов, так что всё давление создается исключительно нажатием ноги пилота. Требуемая сила нажатия может составлять и 125, и 160 кг, но к счастью гонщиков, ускорение G помогает увеличить мощность нажатия на педаль при торможении.
Как правило, педаль изготавливается из углеволокна по собственным чертежам команды. Подножка, которая помогает удерживать ногу в нужном положении при поворотах, подгоняется под предпочтения гонщика. Дополнительно к этому, для пилотов могут разрабатываться индивидуальные конструкции педали для оптимального соотношения сил между ней и главными цилиндрами.

Которых в болиде два. Они создают давление в магистрали для передних и задних тормозов, и каждый из них подает тормозную жидкость из отдельных резервуаров. Раздельная система появилась еще во времена, когда тормоза отказывали чаще, и в наши дни она остается важнейшим фактором безопасности.
Давление между цилиндрами в передних и задних тормозах должно быть сбалансировано и соответствовать распределению веса автомобиля и сцеплению шин. Болидом невозможно эффективно управлять без механизма регулировки баланса. Механизм следующий: толкатели цилиндров через шарнирное соединение связаны с кронштейном, положение которого регулируется относительно педали тормоза. Сейчас регулировка осуществляется электронно с помощью переключателя на руле – так пилот может эффективнее тормозить, регулируя баланс перед сложными поворотами.

Здесь визуализирован процесс регулировки: Кроме того, балансировка тормозов влияет не только на статическое соотношение переднего и заднего торможения, но и на изменение баланса в процессе замедления автомобиля. Поскольку во время длительного торможения вес автомобиля переносится вперед, а его задняя часть становится легче, баланс должен меняться соответственно. Раньше это достигалось геометрией педали и планки балансировки, но теперь, благодаря электрическим тормозам, всё гораздо легче.Что касается тормозной жидкости, то она проходит по магистрали под давлением от главных цилиндров к суппортам. Используются и гибкие трубки с оплеткой, и жесткие трубки.

Система brake-by-wire
В 2014 году в регламенте Формулы прописали переход с турбомоторов KERS с рекуперацией кинетической энергии (возвращение энергии с целью повторного применения) на турбомоторы ERS с двойной рекуперацией. ERS использует и кинетическую энергию при торможении, и тепловую энергию выхлопа.

С переходом на ERS, FIA разрешила встраивать электрическую систему Brake-by-Wire (“тормоз по проводам”) для задних тормозов. Почему?

Система ERS предусматривает модули ERS-K и ERS-H и генераторы MGU-K и MGU-H. К и Н это кинетическая и тепловая энергии. Модуль ERS-K рекуперирует энергию при торможении, а тяга MGU действует как тормоз, замедляя автомобиль. Но этот эффект непостоянен: тормозное усилие MGU-K зависит от настройки рекуперативной тормозной системы и заряда батареи. Это непостоянство привело бы к несбалансированному торможению, заднее торможение от ERS было бы нерегулярным.

В системе BBW задний главный цилиндр по-прежнему находится на педали, но тормозной трубопровод заканчивается в блоке BBW, установленном внутри коробки передач. Этот блок распознаёт запрос водителя о торможении и на основе давления в задней тормозной магистрали определяет, какую силу подаст система рекуперации по сигналу от электронного блока управления (SECU). После этого блок BBW высчитывает разницу между двумя показателями и через активный главный цилиндр подаёт только то давление, которое необходимо для отключения эффекта ERS. Вуаля – сбалансированное торможение обеспечено.

Так можно схематично объяснить BBW, но если углубляться в тормозное ПО болида, всё гораздо сложнее.


Итак, поздравляем – теперь вы в общих чертах (да-да, это был краткий обзор) представляете, как работает тормозная система в F1 и можете удивлять далёких от автоспорта людей своими познаниями! Ну и, в следующий раз, когда вы увидите тормозящего со скорости 300 км/ч в повороте пилота, вы будете знать, сколько всего происходит прямо в этот момент.