Pneumatiky pro aerodynamický tunel - odlišné vlastnostmi i strukturou, přesto reprezentativní

Se zvyšujícím se významem aerodynamiky pro výkonnost vozů F1 stoupá potřeba relevantního testování s přesným modelem pneumatik pro aerodynamický tunel, kde mohou týmy provozovat vozy o maximálně 60% velikosti. Jenže udělat pro ně pneumatiky, to není jen o jejich zmenšení, jak si dále ukážeme.

Pneumatikám je v současné době věnována obrovská pozornost. My se zaměříme na detaily související jejich modely, které jsou obvykle známy pouze několika zasvěceným odborníkům z řad Formule 1 a o kterých se byl ochoten podělil bývalý aerodynamik Ferrari Marco de Luca, který je momentálně na cestě k Lotusu.

"Aerodynamický vývoj pomocí nich je obrovskou výzvou, obzvlášť když se mění celkový tvar pneumatik. Dříve se v tunelech testovalo s pevnými pneumatikami vyráběnými z nylonu, karbonu či hliníku. Byly jednoduché, kulaté, pevné a levné. Obvykle se při vývoji používaly dokonce starší specifikace," říká De Luca.

Historický vývojTýmy se tehdy soustředily na něco jiného, než realismus pneumatik. Teprve v posledním desetiletí se F1 stala tak citlivou a vozy začaly vyžadovat tak jemné vyladění, že pneumatiky v tunelu začaly být považovány za problém. Inženýrům po pokusech s houbovitým běhounem, deformujícím se karbonem či konickým návrhem pevných pneumatik začalo být jasné, že budou potřebovat pomoc profesionálního výrobce pneumatik.

K revoluci došlo, když oficiální dodavatelé pneumatik začali dodávat své prototypy nafukovacích zmenšených pneumatik z gumy. Inženýři byli nadšeni. Systémy zavěšení mohly být konečně téměř celé navrhovány s ohledem na kinematiku svých plnohodnotných protějšků.

Prvotní nadšení však brzy vystřídaly frustrace z toho, že se s nimi nedalo pracovat tak snadno, jak se předpokládalo. "Modely pneumatik nebylo jednoduché ovládnout. Dynamický tvar se velmi lišil od reálných pneumatik. Ve zlepšení pomohl rozmach dalšího odvětví - počítačových CFD simulací, které inženýrům pomohly mnohem lépe porozumět dopadům deformací pneumatik na aerodynamickou výkonnost," uvádí bývalý aerodynamik Ferrari.

CFD muselo přijít s vytvářením sofistikovanějších modelů a s nástroji pro analýzu, aby se dal správně simulovat tok kolem pneumatik, a to jak ten stálý, tak i nestálý. Technologie a know-how, které vzniklo, přesáhlo rámec F1.

Video: Caterham o modelech pneumatik pro aerodynamický tunel (zdroj: Caterham F1 Team)

Proč byla práce s modely výrobců pneumatik tak problémová?Pneumatiky pro aerodynamické tunely musely být navrženy s ohledem na protichůdné požadavky inženýrů, kteří jsou neustále zaměření na to, aby dostávali co nejvíce výkonnosti z produktů plné velikosti.

Pneumatiky pro aerodynamický tunel musí nabídnout velmi dlouhou životnost oproti tomu, co nabízejí současné závodní pneumatiky. Nyní by jedna sada zmenšených gum snadno vydržela cestu kolem světa.

"Jeden průměrný test v tunelu nyní trvá kolem 8 minut při pravidly maximální povolené rychlosti 180 km/hod. Při něm pneumatiky ujede 24 km. Při správném managementu pneumatik zvládne každá sada kolem 1700 takových po sobě jdoucích testů, což dohromady činí kolem 40 800 km," propočítává De Luca.

Taková životnost je potřebná, protože týmy dle sportovních pravidel mohou každý rok využít jen omezené množství pneumatik. Navíc je to i praktické - týmy se v tunelu mohou věnovat spíše aerodynamickým testům než přehazováním pneumatik na modelech vozů. Zastávky v boxech si můžou cvičit i mimo tunel v továrně.

Nízká úroveň přilnavostiPneumatiky pro aerodynamický tunel musí poskytovat také nižší úrovně přilnavosti. To umožňuje zvládat různé úhly skluzu při testování, aniž by model vozu vylétl z pracovního prostoru do řídicí místnosti.

Při testování v tunelu jednoduše není u pneumatik důvod generovat vyšší boční či podélné síly. Nižší úroveň přilnavosti je přitom velmi důležitá pro životnost pneumatiky a také pomáhá minimalizovat chyby při odebrání aerodynamického dílu z celkových sil vytvářených pneumatikou, které registrují jejich snímače.

Na druhou stranu příliš nízká přilnavost také není žádoucí, protože pak bývá poměr úhlu skluzu zpravidla vyšší než u pneumatik plné velikosti. Hrozí tak ztráta realismu při testování proudění, která má souvislost s rotací pneumatiky.

(foto: Sauber Motorsport GmbH)

Nízká tuhost při pruženíModely pneumatik musí také vykazovat mnohem nižší tuhost při pružení než ty skutečné. Toho lze dosáhnout řádným návrhem jejich struktury a velmi nízkým hustícím tlakem. De Luca objasňuje: "Musí se totiž deformovat jako jejich závodní protějšky, k tomu však v tunelu dochází při zatížení o pár řádů nižším, než které působí na pneumatiky u vozu plné velikosti. V tunelu na ně v každém rohu působí zatížení pouze o síle 200 - 300 N."

Aby "mačkání" pneumatik lépe odpovídalo různým manévrům vozu simulovaným v tunelu (brzdění, průjezd rychlými a pomalými zatáčkami, jízda vysokou rychlostí atd.), jsou uvnitř modelů vozů umístěny aktivní zatěžovací systémy. Jsou zdrojem dalších proměnlivých sil, kterými na pneumatiky působí systém zavěšení. Dají se tak napodobit extrémní podmínky, jako například nezatížené pneumatiky (na vnitřní straně při nájezdu do zatáček).

Schopnost modulovat "mačkání" pneumatiky umožňuje lépe sladit pohyb zavěšení se skutečným světem. Tento druh realismu je u jejího modelu rovněž velmi důležitý.

Nízké provozní teplotyPneumatiky pro aerodynamický tunel musí při testování zůstávat chladné, zatímco ty skutečné potřebují přesný opak - například tvrdá směs funguje dle Pirelli při teplotách od 110 - 135 °C. To je následek požadavku na nižší přilnavost a nižší tuhost. Normálně nepřesahují o více než 10 až 20 °C teplotu okolního vzduchu v tunelu. Jejich povrchová teplota je také užitečným nepřímým měřítkem pro monitorování toho, jak se chovají.

Většinu své životnosti stráví rotací v konstantních otáčkách, více než jejich plnohodnotné protějšky. "U 50% modelů kolem své osy rotují rychlostí kolem 3000 ot/min, u 60% modelů rychlostí kolem 2400 ot/min, zatímco skutečné pneumatiky se v rozmezí od 150 do 300 km/hod otáčejí rychlostí 1200 a 2500 ot/min s velmi rychlými a častými změnami (zejména při brzdění)," říká De Luca.

S vyššími otáčkami souvisí rychlejší opotřebení pneumatik, což je jeden z těch menších důvodů, proč týmy preferují co největší modely, která jim umožňují pravidla, rozměry jejich tunelu a samozřejmě i rozpočet.

(foto: Toyota Motorsport GmbH)

StrukturaStruktura pneumatik pro aerodynamické tunely musí odpovídat zcela jiným požadavkům než u těch skutečných pro závodní monoposty. Musí být slabá, aby umožňovala deformace u země při nízké zátěži, ale zároveň by její boky, přechod k běhounu i samotný běhoun měl být pečlivě navržen tak, aby působil proti odstředivé síle, která není při vyšších otáčkách vůbec zanedbatelná.

Nesprávný design by způsoboval abnormální dynamické tvarování zužováním v jejich bocích a klenutím běhounu. A k tomu skutečně u prvotních verzí docházelo, vzpomeňme například na stížnosti Sauberu či McLarenu (psali jsme o tom na začátku sezóny např. zde).

Jemnost povrchuPneumatiky pro aerodynamický tunel by neměly vykazovat žádné významnější změny v čase vůči mokrým povrchům. Týmy byly při experimentování překvapeny vysokou aerodynamickou citlivosti na drobné detaily rozmístěné po stranách povrchu pneumatik.

Hrubost, která se mění se stářím pneumatiky i běžícího pásu a způsobem péče o něj, hraje také důležitou roli. Nesprávné úrovně hrbolatosti vedou k nesprávnému určení linie separace okolního proudění (především nad běhounem). Z podobných důvodů je aerodynamické měření a vývoj vozu F1 při jízdě na použitých pneumatikách (ve druhé části stintů) poměrně velkou výzvou.

Konstantní chováníPoslední věcí, kterou pneumatika pro aerodynamický tunel musí nabídnout, je konstantní chování jak při testování na jedné sadě pneumatik, tak i mezi sadami. To je důležité, aby proces nebyl ovlivněn opakovatelnými chybami - jedním z největších nepřátel všech experimentálních aerodynamiků.

Zřetelný pokles výkonnosti na konci životnosti by měl být dán progresivní souvislou změnou mechanických vlastností v průběhu celého životního cyklu pneumatiky. Díky tomu je velká část měření prováděna na jedné sadě (téměř) bez nežádoucích pneumatikových efektů. Inženýři také snadněji rozpoznají správný okamžik k nasazení nové sady.

Přes všechna tato úskalí existují další fundamentální nežádoucí hlediska. Kvůli nižší úrovni přilnavosti se gumové pneumatiky ve spodní části nedeformují tak, jako ty skutečné. v zatáčkách s vysokým bočním přetížením. V dnešní době to je stále velmi náročné. Kvůli tomu týmy v tunelech nasazují velmi složité systémy, aby snížili tento nedostatek v realismu.

Grafické znázornění změřených deformací pneumatik Pirelli v aerodynamickém tunelu Toyoty(foto: Toyota Motorsport GmbH)

Proč je realistické modelování nutnostíPotřeba správně napodobovat tvar pneumatiky v dynamických podmínkách je enormní. Proč? V přední části vozu F1 hraje velké a komplexní přední křídlo strategickou roli - nejen pro vytváření přítlaku a vyvážení vozu, ale pro těsnou interakci s úplavem za pneumatikami, aby došlo ke stabilizaci a jeho usměrnění.

Díky tomu je pak zbytek vozu v těch nejlepších podmínkách pro co nejefektivnější tvorbu přítlaku. Řízení úplavu za koly tak, aby nezasahoval do kanálů pro chlazení motorů, je rovněž důležité. Prvky, které můžete pozorovat ve spodní části nosu (deflektory) a na po stranách bočnic (bočnicové panely) slouží také k tomu, aby vytvářely řádné struktury protékajícího vzduchu. Jsou pečlivě vyladěny tak, aby vzájemně reagovali s úplavem za pneumatikami.

"Na zádi má proudění doprovázené přítomnosti pneumatik velmi blízko podlahy velký dopad na základní mechanismy vládnoucí chování difuzoru na konci podlahy. V dnešní době je interakce s výfukovými plyny v kanálu mezi pneumatikou a podlahou je hlavním jevem, který je třeba simulovat s vysokou přesností," popisuje De Luca.

U předních i zadních pneumatik je proudění kolem styčné plochy velmi zvláštní a citlivé na okamžité změny tvaru. Je to dáno také vysokou rychlostí toku v těchto oblastech. Přísavný efekt patří mezi první mechanismy, které jsou ovlivněny nesprávnou reprezentací. Chování brzdových kanálků a všech aerodynamických zařízení spojených s vnitřní částí kol je vysoce závislé na povrchu pneumatiky, protože je v jeho blízkosti.

V neposlední řadě je procento přispění pneumatik k celkovému odboru u vozu F1 poměrně velké. A čím nižší úroveň přítlaku je zvolena, tím je vyšší. Vývoj s nesprávným tvarem pneumatik nepříznivě ovlivňuje všechny závěry činěné na základě odporu a - co je ještě důležitější - riskujete špatné vyhodnocení vyvážení vozu a jeho variací.

Testování v aerodynamickém tunelu v Hinwilu (foto: Sauber Motorsport AG)

Proto je neuvěřitelně důležité co nejrychleji reagovat pro udržení věrohodnosti modelů pneumatik na jakoukoliv změnu tvaru - byť i jen několik mm, což se v minulosti zanedbávalo - přímo či nepřímo ohlášenou jejich výrobcem.

Testování modelu pneumatik před odesláním do tuneluZmenšené pneumatiky jsou pečlivě testovány a vyhodnocovány před tím, než odejdou do aerodynamického tunelu.

Tento proces je užitečný pro odhalení potenciálně "špatných" pneumatik. V tunelu jsou pak neustále monitorovány, pokud jde o jejich externí profil, teplotu povrchu, vnitřní tlak, úhel skluzu, vertikální deformaci, vibrace způsobené nevyvážeností atd. Inženýři pomoci všech těchto dostupných parametrů monitorují obecné chování a zajišťují, že deformace jsou pod kontrolou a že se pohybují v rámci očekávaného rozmezí.

Vytvářejí se databáze tvarů a statistické analytické nástroje pro sledování vývoje specifikací pneumatik a pro poznání všeho, co se týče chování a životnosti pneumatik. To kvůli tomu, že počet sad pro testování v tunelu je předepsán - proto musí být načasování instalace nových pneumatik optimální.

Celé to obrovské úsilí má zajistit, že aerodynamické pokusy, které jsou tak složité a drahé, mohou vést vývoj správným směrem a efektivně. Z časového hlediska si nepřejete, aby cokoliv bylo špatně. Nesprávné využívání pneumatik v aerodynamickém tunelu, pokud není zachyceno včas, zavádí na scestí jakýkoliv vývoj. Vzhledem k rychlým změnám ve vrcholové disciplíně závodění může být rozdíl mezi tím, co je brzy a co pozdě, velmi nejasný.

(foto: Toyota Motorsport GmbH)

Problémy se mohou šířit i do CFD prostředíVeškeré problémy týkající se reprezentace pneumatik se nevyhnutelně rozšiřují i do CFD prostředí. Virtuální pneumatiky musí přesně odpovídat těm v aerodynamickém tunelu a na dráze. "Pokud jsou ale srovnávány s praktickou prací v aerodynamickém tunelu, pak to už tak jednoduché není. To je dáno zejména složitostí při stanovování úrovně CFD kalkulací pro F1, kdy se mění světlá výška a neustále se analyzuje natáčení kol, efekty klonění a zatáčení, stejně jako v tunelu," tvrdí De Luca.

Další komplikace nastávají u náročných výpočtů v oblastech, které jsou velmi blízko (ramena zavěšení a další zařízení). Příliš dlouhé setrvání u neaktuálního tvaru pneumatik je také riskantní. V oblasti podpory se kvůli co nejrychlejším reakcím neustále vyvíjejí komplexní nástroje, jako je parametrické CAD modelování pneumatik a automatická síťová (mesh) deformace.

Týmy vynakládají důležité zdroje na vývoj a získávání mechanický inženýrů, aerodynamiků, designérů, elektroniků a výrobců modelů v rámci svých aerodynamických oddělení, kteří jsou experty na pneumatiky. V podstatě tak vytvářejí určitý vnitropodnikový "pneumatikový tým," aby držely krok s touto strategickou záležitostí. Stáje, jež jsou lépe připraveny na zvládání této sofistikované technologie, mají velký potenciál k tomu, aby v moderní F1 uspěly.

 

Za spolupráci během přípravy tohoto článku děkuji společnosti Toyota Motorsport GmbH.