Kočnice u Formuli 1

mercedes-rear-brake-duct-abu-dhabi-2015

Princip kočenja vrlo je jednostavan – usporiti određeni objekt pretvaranjem kinetičke energije u toplinu i svjetlost. F1 bolidi imaju disk kočnice (kao i većina cestovnih automobila) s rotirajućim diskovima (rotiraju se s kotačima) koji su pri kočenju stisnuti kočionim oblogama djelovanjem hidrauličnih klipića. Tako se brzina bolida pretvara u velike količine topline i svjetlosti, pri čemu se diskovi užare i intenzivno sjaje.

Na isti način na koji će prevelik dotok snage na pogonske kotače uzrokovati njihovo proklizavanje, tako će i prejaka kočiona sila uzrokovati blokiranje kotača jer je premašila u tom trenutku dostupnu vrijednost prijanjanja određenu gumama i podlogom. Kako sustavi koji sprečavaju blokiranje kotača pri kočenju nisu dozvoljeni (ABS), kočenje ostaje jedan od važnijih ispita zrelosti za vozače što posebno dolazi do izražaja na stazama s puno zona snažnog kočenja.

>> Tehnički pravilnik: KOČIONI SUSTAV

Tehnička pravila FIA-e dopuštaju da svaki bolid ima dvostruki, kružni hidraulični kočioni sustav s dva odvojena spremnika za prednje i stražnje kotače. To osigurava da čak i ako u nekoj utrci čitav kružni sustav zakaže, kočenje bude moguće pomoću drugoga sustava.

Kevin Magnussen u McLarenu MP4-29 blokira prednji lijevi kotač u izuzetno zahtjevnom devetom zavoju u kojem se istovremeno skreće i koči za deseti zavoj. Foto: McLaren
Kevin Magnussen u McLarenu MP4-29 blokira prednji lijevi kotač u izuzetno zahtjevnom devetom zavoju u kojem se istovremeno skreće i koči za deseti zavoj. Foto: McLaren

Vrijednost kočione sile između prednjih i stražnjih kotača može regulirati i vozač iz kokpita čime izravno utječe na ponašanje bolida pri kočenju ili jednostavno podešava vrijednost ovisno o tome kako se tijekom utrke mijenja težina samoga bolida.

U normalnim okolnostima 50-60% kočione sile prenosi se na prednje kotače jer se pri kočenju zbog inercije težina prebacuje prema naprijed. Mijenjanjem balansa kočenja vozač utječe na ponašanje bolida na kočenju, potrošnju kočnica i potrošnju guma što je posebno važno u samoj utrci.

No, u jednome su području što se kočionih sustava tiče bolidi Formule 1 nadmoćni u odnosu na cestovne automobile – po pitanju upotrijebljenih materijala. Danas su svi bolidi opremljeni diskovima od ugljičnih kompozitnih vlakana jer donose uštedu u težini i mogu normalno funkcionirati pri daleko višim temperaturama od čeličnih.

Tipičan F1 disk teži oko 1 kg ( za usporedbu čelični disk kakav se rabi na bolidima američke CART serije teži 3 kg) i oprema se specijalnim kočionim oblogama koje bez ikakvih problema funkcioniraju i na temperaturama višim od 750 °C. Prije su se za kvalifikacije i utrku rabili diskovi različite veličine, no promjena pravila 2003. godine od kada bolidi nakon kvalifikacija moraju u tzv. parc ferme dovela je vozače u situaciju da kvalifikacije voze s kočnicama prilagođenim za utrku.

Kočnice bolida Formule 1 izuzetno su djelotvorne. U kombinaciji sa suvremenim i naprednim mješavinama gumama zaustavni putevi drastično su skraćeni. Bolidu treba manje mjesta da se zaustavi sa 160 km/h nego automobilu sa 100 km/h, a da se zaustavi sa 100 km/h treba mu 15 do 20 metara manje nego cestovnim automobilima. Kočnice u Formuli 1 toliko su dobre da pravila namjerno usporavaju njihov razvoj zabranom određenih materijala kako bi onemogućili da zaustavni putevi budu još kraći, a pretjecanja još teža.

Da bi se bolid Formule 1 u potpunosti zaustavio s brzine od 300 km/h potrebno je oko četiri sekunde, a zaustavljanje s 200 km/h traje manje od tri sekunde (pri čemu bolid prijeđe oko 65 metara). Brojke ovise i o postavkama ovjesa, rasporedu težine, razini downforcea, komponenti guma, podlozi i količini goriva u bolidu.

Od 2009. momčadi imaju mogućnost korištenja toplinske energije kočenja pretvarajući ju u električnu energiju pomoću KERS sustava (Kinetic Energy Recovery System, sustav za obnovu kinetičke energije), čime vozač na raspolaganju ima dodatnu snagu motora kroz kraći vremenski period (6,6 s po krugu) kako bi se olakšala pretjecanja.

Od 2014. godine više ne postoji KERS jer ga je zamijenio ERS (Energy Recovery System). Povrat energije više se ne vrši samo toplinske energije kočenja, nego i toplinske i kinetičke energije ispušnih plinova na izlazu iz turbine pa otud dolazi i novo ime.

KONSTRUKCIJA I MATERIJALI

Kao i na svakom kočionom sustavu koji se koristi u cestovnim automobilima, središnji dio je kočioni disk koji se rotira s kotačem. Kada vozač pritisne pedalu kočnice, kočiona tekućina ulazi u cilindre kočionih klipova, a karbonske kočione obloge stišću rotirajući disk. Tako se i disk i kotač (a time i bolid) usporavaju, a kinetička energija (polovica umnoška mase i kvadrata brzine) pretvara se u toplinsku.

Kočioni sustav na Mercedesu W04. Vide se i spremnici kočione tekućine smješteni u monokoku bolida. Foto: f1technical
Kočioni sustav na Mercedesu W04. Vide se i spremnici kočione tekućine smješteni u monokoku bolida. Foto: f1technical

Kočiona tekućina nalazi se u dva glavna cilindra smještena iza mjesta gdje se na monokok spaja nos bolida. Nalaze se između dijelova ovjesa kako bi se uštedjelo na dragocjenom prostoru. Glavni kočioni cilindri sadrže kočionu tekućinu za prednje i stražnje kočnice, a sustavi prednjih i stražnjih kočnica odvojeni su kako bi udovoljavali tehničkom pravilniku. Zato u slučaju otkazivanja jednoga sustava drugi može nastaviti funkcionirati i zaustaviti bolid.

Iako je sam dizajn kočionih sustava prilično jednostavan (zbog vrlo striktnih pravila koja onemogućuju značajno skraćivanje zaustavnih puteva i povećanje troškova), kočnice su i dalje jedan od skupljih dijelova bolida Formule 1. Kočione obloge i diskovi izrađuju se od najkvalitetnijih ugljičnih materijala (tzv. carbon-carbon) koji su značajno drukčiji od onih koji se koriste na ostalim dijelovima bolida. Karakterizira ga visok koeficijent trenja bitan za ostvarivanje što veće sile kočenja.

Trenutno su u Formuli 1 prisutna tri dobavljača karbonskih kočionih materijala: Hitco, Safran (Carbon Industrie) i Brembo. Iako nije očito na prvi pogled, nove pogonske jedinice značajno utječu na dizajn i korištenje kočnica na svim bolidima.

Kako je minimalna težina bolida 2014. povećana na 691 kg, a 2015. na 702 kg, kočnice imaju teži zadatak. Zaustavni putevi bit će duži, kao i vrijeme provedeno na kočenju. Također, sustav za obnovu energije (ERS) obavlja dobar dio posla umjesto stražnjih kočnica dok skuplja energiju pa stražnji diskovi mogu biti manji (kao i kočiona kliješta). Diskovi iz istoga razloga mogu biti i tanji (25 mm umjesto najviše dozvoljenih 28 mm).

Sva tri dobavljača su uoči 2014. predstavili nove kočione materijale koji se manje troše i bolje zagrijavaju, a vozači često kombiniraju kočione materijale kako bi postigli što bolje performanse i osjećaj na kočenju.

Kada govorimo o kočionim performansama bitna su dva parametra – početno hvatanje i konzistencija. Početno hvatanje predstavlja početno trenje koje se javlja kad vozač pritisne papučicu kočnice i kada kočnice još uvijek nisu na pravoj temperaturi. Konzistencija je mjera u kojoj je trenje ujednačeno tijekom perioda kočenja. Karbonske kočnice relativno su loše ispod 400 °C, a optimalna temperatura im je iznad 650 °C.

Iako se obične kočnice troše uobičajenim mehanizmom trošenja, karbonske kočnice troše se i oksidacijom (jednostavnim rječnikom, gorenjem površine diska koje se na temperaturama iznad 600 °C ubrzava i postaje glavni mehanizam trošenja). Kako se temperatura diskova penje i iznad 1200 °C, jasno je da je oksidacija izuzetno značajna u procesu trošenja. Na ravnim dijelovima se kočnice hlade zahvaljujući svježem zraku koji do njih dolazi preko usisnika za hlađenje, ali paradoksalno, isti taj zrak sadrži visok udio kisika koji ubrzava proces oksidacije, a time i trošenja.

KOČIONA KLIJEŠTA

Ovaj dio kočionog sustava često je u drugom planu kada se govori o kočnicama na bolidima Formule 1, ali riječ je o izuzetno složenim i važnim dijelovima. Trenutno su tri proizvođača kočionih kliješta u Formuli 1 – Brembo, AP Racing (dio Brembo grupe) i Akebono koji trenutno opskrbljuje samo McLaren i koji je njihov partner od 2007. Četvrta tvrtka Alcon ima mogućnosti dizajnirati i proizvesti kočiona kliješta za F1 bolide, ali prema službenim tehničkim specifikacijama trenutno ih ne koristi nijedna momčad.

Položaj kočionih kliješta varira te nema općeprihvaćenog najboljeg rješenja. Na slici vidimo Brembo kočiona kliješta smještena na donjem dijelu diska, što doprinosi nižem težištu. Foto: reddit
Položaj kočionih kliješta varira te nema općeprihvaćenog najboljeg rješenja. Na slici vidimo Brembo kočiona kliješta smještena na donjem dijelu diska, što doprinosi nižem težištu. Foto: reddit

Ključni elementi kočionih kliješta su težina i čvrstoća. Momčadi blisko surađuju s proizvođačima kako bi postigli točno što žele i to za svaku utrku posebno. Iako su sva kočiona kliješta slična, njihova pozicija u odnosu na disk nije. Oko pozicije kočionih kliješta ne postoji konsenzus pa tako pozicioniranje kliješta s donje strane spušta centar mase, ali otežava opskrbu kočionom tekućinom.

Od 2014. stražnja kočiona kliješta imaju drukčiju ulogu nego dosad zbog utjecaja ERS sustava na kočenje i elektroniku koja upravlja pritiskom stražnjih kočnica kako bi se očuvala stabilnost. Dok vozač koči, elektronski kontroler omogućava visokotlačnom hidrauličkom sustavu održavanje kočione sile na stražnju osovinu što vozaču omogućuje konstantniji osjećaj na kočenju, a šasija ostaje stabilnija.

HLAĐENJE

Kočnice pomoću trenja pretvaraju kinetičku energiju u toplinsku, a zbog velikih brzina koje razvijaju F1 bolidi kočnice se zagriju na temperature veće od 1000 Celzijevih stupnjeva. Ali mogu i biti i prehladne.

Na stazama s dugim ravnim dijelovima kočnice se mogu i previše ohladiti, što dovodi do situacije da je razlika u temperaturi na početku i kraju kočenja veća od 1000 °C. To može dovesti do rizika od termalnog šoka i pucanja diska.

Usisnici za hlađenje kočnica posljednjih su godina postali vrlo kompleksni, a povezani su sa usmjerivačima turbulentne zračne struje s prednjih kotača. Foto: reddit
Usisnici za hlađenje kočnica posljednjih su godina postali vrlo kompleksni, a povezani su sa usmjerivačima turbulentne zračne struje s prednjih kotača. Foto: reddit

Kako su testiranja od 2009. značajno smanjena, proizvođači kočionih materijala oslanjaju se na simulacije i testiranja u tvornici. Momčadima nude prilagođene proizvode koji se temelje na vozačevim zahtjevima, stazi i samom bolidu.

Kočnice se hlade usmjeravanjem zraka iz usisnika kroz  otvore na samom disku, kao i na površinu diska i obloga. Najčešće manji usisnik hladi kočiona kliješta, a veći usmjerava zrak prema središtu diska koji se kroz otvore na disku širi prema van i izlazi kroz naplatak.

Količina zraka koji ulazi prema kočnicama kontrolira se veličinom usisnika za hlađenje pa tako momčadi u Montrealu koriste najveće usisnike, a na stazama poput Silverstonea najmanje. Veći usisnici znače i veći otpor zraka, ali i manje downforcea jer je dio zračne struje koji bi inače išao prema stražnjem kraju završio u kočnicama. Također, razlog za korištenje što manjih usisnika nije samo aerodinamičke prirode. Naime, manji usisnici koriste se kako bi se održala temperatura kočnica na stazama koje nemaju toliko zahtjevnih kočenja.

Posljednjih godina diskovi imaju i do 1000 ventilacijskih otvora (sitnih rupica) čije se ponašanje do detalja ispituje na računalnim simulacijama. One su pokazale da je bolje imati više otvora manjega promjera, što povećava čvrstoću diska, protok zraka i izmjenu topline. Ovakva strukturna evolucija zahtijevala je znatno složenije mehaničke procese, kao i detaljniju analizu dinamike fluida, što ne bi bilo moguće bez napretka računalnih simulacija.

Postoji i rupa u tehničkom pravilniku koja momčadima omogućuje da u prostor namijenjen usisnicima za hlađenje kočnica stave bilo što, bez dokazivanja stvarne namjene tih dodataka. Tako momčadi u taj prostor godinama stavljaju krilca i usmjerivače zraka koji stvaraju downforce izravno na kotaču ili usmjeravaju zračnu struju podalje od turbulencija rotirajućih kotača.

FIA bi bez problema mogla ispraviti ovu rupu u pravilima tako da jasnije naglasi što je zapravo usisnik za hlađenje kočnica, ali su očito zadovoljni s trenutnim stanjem. Rupa u tehničkom pravilniku postoji već godinama pa kočioni sustavi ne samo da usporavaju bolide, nego ih i pritišću za stazu stvaranjem downforcea čak i kad vozač ne drži papučicu kočnice.

ZANIMLJIVOSTI

Tijekom jedne sezone Formule 1, Brembo jednoj momčadi isporuči sljedeće materijale:

10 setova kočionih kliješta

Između 140 i 240 diskova

Između 280 i 480 kočionih obloga

Potrebno je oko deset sati neprestanoga rada kako bi se proizvela kočiona kliješta, iako je proces znatno duži jer ga prekidaju koraci poput raznih obrada površine, ručnoga sastavljanja i testiranja.

Proizvodnja carbon-carbon diskova dugotrajan je proces koji traje stotinama sati, a uključuje zagrijavanje materijala na temperature iznad 2500 °C.

Set kočionih diskova stoji više od 30 000 kn, a set kočionih obloga više od 15 000 kn.

Mnogi korišteni diskovi pretvore se u neobične i vrijedne satove.

  • Mercedes W07 Hybrid gearbox and rear end Spain GP Barcelona foto automotorundsport

    Mjenjač

    Mjenjači u Formuli 1 već dugo vremena ne služe samo promjeni brzina, nego su i vitalni dio…
  • Pogonska jedinica

    Današnje pogonske jedinice u Formuli 1 ne sastoje se samo od motora s unutrašnjim izgaranj…
  • Gume u Formuli 1

    Suvremeni bolid Formule 1 tehničko je remek djelo, ali uzevši u obzir koliko se ulaže u ra…
Učitaj još iz Tehnika - generalno

Odgovori

Budi prvi koji će komentirati ovu vijest!

Obavijesti me o
wpDiscuz

Pogledajte i ovo

Mjenjač

Mjenjači u Formuli 1 već dugo vremena ne služe samo promjeni brzina, nego su i vitalni dio…