Konstrukční materiály v F1

Jaké materiály se používají při konstrukci vozu Formule 1? 

Jaké jsou hlavní složky vozu Formule 1? Když konstruktéři začali vyvíjet automobily, domnívali se, že kov je jedinou látkou, která je schopna nabídnout pevnost a tuhost potřebnou pro průmyslové použití.

I nadále používáme velké množství kovu, přičemž každý kus je určen pro konkrétní účel. Například ve voze F1 je více než 20 různých druhů hliníku a 30 druhů oceli, kromě exotičtějších kovů, jako je titan, hořčík a Inconel (superslitina složená z niklu, chromu a železa).

Vynález plastů na přelomu 19. a 20. století přinesl nové možnosti z hlediska tvarovatelnosti a lehkosti, ale bohužel nebyly ani pevné, ani tvrdé. To nejlepší z obou světů nabízejí kompozitní materiály, zejména plasty vyztužené uhlíkovými vlákny. Při třetinové hmotnosti jsou zhruba pětkrát pevnější než ocel. Proto se hojně využívají při výrobě vozů F1.

Jak vznikly původní kompozitní materiály?

Před vynálezem uhlíkových vláken bylo k dispozici několik kompozitních materiálů, včetně skelných vláken. Ale z dnešního pohledu se nám při diskusi o kompozitech obvykle vybaví uhlíková vlákna.

V Královském leteckém institutu ve Farnborough prošel v roce 1963 prvním komerčním vývojem. Při dnešních hodnotách by stál asi 300 liber za kilogram, tedy 5.000 liber (asi 152 tisíc korun) za kilogram. V současné době se prodávají za přibližně 14 liber (425 Kč) za kilogram a předpokládá se, že jejich cena v příštích pěti letech klesne na polovinu, protože se více prosadí v leteckém a běžném automobilovém průmyslu.

Velká Británie však brzy zalitovala, že ztratila své prvenství v této oblasti, protože po vytvoření první výroby pro praktické využití uhlíkových vláken se komercializace rozrostla. Zejména Japonsko významně investovalo do svých výrobních kapacit a USA je brzy následovaly poté, co byla zjištěna životaschopnost tohoto materiálu pro letecké a vojenské aplikace.

Jsou všechny kompozity stejné?

Nejsou. Ve voze Formule 1 používáme více, než 50 různých druhů kovů a také různé kompozitní materiály. Přestože existují stovky možných kombinací a kompozitů vyztužených jinými materiály než karbonem, jako je kevlar nebo zylon, lze skutečně použít jen asi 30 různých typů uhlíkových vláken.

Kombinace materiálů

Plasty vyztužené uhlíkem je jiný název pro kompozity z uhlíkových vláken. To ukazuje, že vyztužující vlákna a podkladová polymerní pryskyřice jsou dvě samostatné části kompozitu.

Samotná vlákna se vyrábějí různými způsoby, aby se dosáhlo různých designových cílů, například vysoké pevnosti nebo třeba extrémní tvrdosti na úkor určité pevnosti. Samotná vlákna, což jsou vlákna z čistého uhlíku o tloušťce jedné desetiny lidského vlasu, jsou stočena do svazku (kabelu), který může obsahovat 1 až 12 tisíc vláken.

Z těchto svazků lze utkat různé tkaniny, z nichž každá může mít jedinečné vlastnosti v závislosti na typu použitého uhlíku. Nejjednodušší jsou "jednosměrná" uhlíková vlákna. Látka má silnou pevnost v daném směru, jak by název napovídal, ale slabou pevnost při pohledu pod úhlem 90° k tomuto svazku. Převažují propletené svazky, které se vyskytují v tkaných textiliích, například v oblečení. Tím se zvyšuje pevnost v mnoha různých směrech.

Různé vlastnosti však nenabízejí pouze různé vazby a druhy uhlíku. Různé formy uhlíku se používají k vyvážení nákladů, použitelnosti a teplotní odolnosti polymerní pryskyřice.

Uhlíková vlákna "Pre-preg" se používají ve Formuli 1. V nevytvrzené pryskyřici této látky jsou již vloženy svazky uhlíku.

Základní výrobní postup

Specifika výroby mohou být poměrně složitá, ale obecně lze říci, že materiál pre-preg se nalije do forem (které jsou rovněž tvořeny uhlíkovými vlákny). Na některých místech se na sebe ukládají nařezané vrstvy.

Při laminování je často užitečné použít laser nebo jiný vizuální systém, který pomůže umístit každou vrstvu přesně tam, kam konstruktér určil. Vrstvy se poté překryjí nepropustnou plastovou fólií a zabalí do materiálu, který se podobá bavlně, aby absorboval zbytky pryskyřice. Poté se laminát podrobí vakuu, aby se zajistilo, že je vše pevně zajištěno ve formě.

Po sestavení formy a součásti se k vytvrzení pryskyřice a vytvoření hotového výrobku použije autokláv, což je vlastně podstatě vysoce natlakovaná trouba.

Dochází k opotřebení materiálu?

V podstatě ne - alespoň ne v tomto kontextu. Zajistit, aby nedošlo k poškození materiálu, je hlavním problémem při jeho udržování v provozu. Kovové části se při poškození ohnou nebo zlomí, což usnadňuje zjištění poškození. Za účelem zjištění trhlin v kovových součástech byla v průběhu let vyvinuta řada metod nedestruktivního testování, nicméně mnohé z nich se spoléhají na to, že trhlina je vždy viditelná na povrchu součásti.

Přestože jsou uhlíková vlákna při výrobě efektivně sloučena, mají kvůli způsobu výroby několik povrchů. I když se díl jeví lidským okem jako bezchybný, podpovrchové delaminace, které by mohly způsobit katastrofální selhání dílu, musí být nalezeny pomocí specializovaných metod, jako je ultrazvukové skenování.

Dojde k obdobnému průlomu i u kovových materiálů?

Ano, již nyní používáme mnoho hliníkových kompozitních materiálů s kovovou matricí s materiálovou výztuží; obvykle se k vyztužení hliníku používají karbidy křemíku. My používáme jeden s vyztužením nanočásticemi. Dokonce i ocel, materiál, který je na trhu již dlouho, se neustále mění, aby poskytoval vyšší kvality.

Jaké motory se používaly v minulosti ?

Současným motorem F1 je šestiválec o objemu 1,6 litru, vybavený turbem a hybridními motorgenerátory. Ačkoli se nostalgici vysmívají jeho "malému" zdvihovému objemu, jedná se o nejsilnější motor, který se účastní závodů Grand prix. Za téměř 70 let však motory Formule 1 výrazně pokročily.

První oficiální závod šampionátu se jel v roce 1950, ale motory byly starší, buď 4,5litrové atmosférické, nebo 1,5litrové přeplňované. V závodech na okruhu v Indianapolis, které byly součástí mistrovství světa v prvních deseti letech, se používaly přeplňované třílitrové motory. Na rozdíl od dnešní doby bylo možné použít celou řadu motorů, včetně čtyř-, šesti- a dvanáctiválcových modelů a také motorů o objemu 1,5, 4,5 a dva litry, stejně jako přeplňovaných a atmosférických modelů.

Od modelového roku 1954 byl objem motoru snížen na 2,5 litru. Přestože byly povoleny přeplňované motory o objemu 0,75 litru, žádný z výrobců tuto výzvu nepřijal. Výkon motoru byl v té době nižší než 300 koní.

Další vývoj

Počátkem roku 1961 se motory začaly přesouvat z přední části na zadní. Nové motory o objemu 1,5 litru se mohly v průběhu následujících pěti let postupně zlepšovat a získaly až o 50 % vyšší výkon. Přestože jedenapůllitrové motory znamenaly pokles výkonu, časy na kolo byly rychlejší. V roce 1966 se FIA rozhodla zvýšit velikost motorů, protože sportovní vozy s většími a výkonnějšími motory překonávaly vozy Formule 1 z hlediska výkonu.

Automobilový průmysl požadoval větší motory, ale pokrok nebyl tak rychlý. Postupně se objevil motor Ford Cosworth DFV, dodavatelsky velmi ceněný motor. Brzy se ale ukázalo, že jinou cestou než turba to nepůjde. Éra turbomotorů se stala populární. Výrazně k tomu přispěla společnost Renault, která v roce 1977 představila motor Gordini V6 Turbo a o tři roky později připravila půdu pro další. V roce 1981 se přidalo Ferrari, poté přišly BMW, Alfa Romeo, Honda a Porsche. V polovině sezóny 1985 už byl každý vůz poháněn turbomotorem. Přestože tato verze výkonnějších motorů vydržela jen několik stovek kilometrů, její výkon stoupal a dosahoval hodnot blížících se 900 koním a v kvalifikacích dokonce přesahoval 1.300 koní.

Další vývoj v po roce 1989

Doba turbo oficiálně skončila. Ačkoli to nezastavilo jejich ohromující výkon v letech 1987 a 1988, FIA v průběhu těchto let postupně zpřísňovala parametry motorů. (Bez zajímavosti není ani zákaz atmosférických motorů z roku 1986.) Od roku 1989 byly povoleny pouze motory o objemu 3,5 litru. Dominovaly motory Honda a poté Renault. Motor Ferrari 043 měl v tomto okamžiku sezóny 1994 výkon 820 koní.

Jednotlivé motorové stupně trvaly i po sezóně 1995. Do roku 2005 měly desetiválcové třílitrové motory, které dokázaly točit hodně přes 19.000 otáček za minutu. Přestože mělo BMW nejlepší motor té doby, nedokázalo vyhrát titul mistra světa.

V roce 2006 byl objem snížen na 2,4 litru a počet válců byl zvýšen na osm. Před zavedením současných pohonných jednotek v roce 2013 se tyto motory ještě používaly. V roce 2007 vstoupil v platnost soubor předpisů známý jako "zmrazení vývoje". Navíc se tak stalo v době, kdy platil limit počtu motorů na jezdce a sezónu a také počtu otáček. Na motory byl kladen menší důraz a větší důraz byl kladen na to, jak účinná je aerodynamika automobilů. V letech 2007 a 2008 vyhrálo šampionát Ferrari, ale po roce 2009, kdy zvítězil Brawn s motory Mercedes, vládl až do konce éry V8 Red Bull s motory Renault.

Na rozdíl od toho, co se někteří snažili naznačit, tedy moderní 1,6litrové turbomotory s hybridními systémy nejsou v žádném případě ostudou dědictví Formule 1. Právě naopak.