Simulace: Které nástroje pomáhají týmům F1 dosahovat rychlejší časy na kolo?

Snaha o snížení výdajů za testování na dráze se ale přesunula do utrácení velkých částek v laboratořích. Přesnost a korelace mezi daty z dráhy a ze simulací se stává klíčovým rozdílovým prvkem ve výkonnosti týmů.

FIA se snaží v rámci snižování nákladů simulace omezovat, a nutí tak týmy k tomu, aby byly efektivnější při využívání nástrojů, které mají k dispozici. My se na ně díky McLarenu nyní blíže podíváme.

Dynamometr pro motorKlíčovým nástrojem pro vývoj pohonné jednotky je motorový dynamometr. Výrobci motorů v F1 ve snaze zlepšit spolehlivost a výkonnost na testovacích stolicích neustále provozují vývojové motory. Práce na dynamometru začínají brzy ve vývojovém cyklu, obvykle s jednoválcovými koncepty, a pokračují během fáze konstrukce až do pracovního života motoru.

Infrastruktura buňky dynamometru se skládá z reprezentativního přívodu vzduchu, ventilačního systému pro výfukové plyny, z přívodu paliva, absorpčního mechanismu pro poskytování odporu a sady senzorů pro měření krouticího momentu, výstupního výkonu, rotační rychlosti, spotřeby paliva atd.

V moderní době jde při práci na dynamometru o mnohem více než o pouhý běh motoru. Sofistikované systémy pro rekuperaci energie, které tvoří součást moderních pohonných jednotek F1, vyžadují pro optimalizaci schopnosti ukládat a vracet výkon zpět do pohonného ústrojí pečlivý management. Testování různých nabíjecích a obnovovacích módů je úkolem, který začíná právě na dynamometru.

Dynamometr pro převodovkuDynamometr vyhrazený pro převodové ústrojí nebo pro převodovku je základním nástrojem pro nikdy neutuchající úsilí týmů o vývoj převodovek, které jsou menší, lehčí a spolehlivější. Přestože se v F1 nyní používají po celou sezónu pevné převodové poměry, je převodovkový dynamometr stále cenným nástrojem pro přípravu na závod, pro analyzování schématu řazení, požadavků na mazání a odvodu tepla.

Převodovkový dynamometr vyžaduje motorový pohon pro simulování zátěže motoru a absorpční zařízení, pro simulaci pohonného ústrojí za ním. Senzory měří vstupní a výstupní točivý moment, teploty maziva a průtok při tom, když dynamometr simuluje s převodovkou závod.

Po běhu na dynamometru je převodovka zkontrolována stejně, jako kdyby byla provozována ve voze - vezme se vzorek převodovkového oleje a na hmotnostním spektrometru se zkontroluje její zdraví. Kromě dalších parametrů se testuje přítomnost kovových částic (v řádu miliontin), které vypovídají o jejím opotřebení.

Dynamometr pro brzdyDynamometr pro brzdy se využívá k testování brzdových destiček, kotoučů a třmenů za těch nejtvrdších podmínek, kterým čelí na dráze. Stejně jako u ostatních testovacích dynamometrů, jež týmy F1 používají, běžný cyklus napodobuje zátěž a průtok vzduchu během závodních podmínek.

Testování brzd ve Wokingu (zdroj: McLaren)

V závislosti na vyspělosti dynamometru se to provádí buď s holým kotoučem, nebo s kotoučem ukrytým v kole. Dynamometr pro brzdy se skládá z motoru pro pohon simulované dělené poloosy propojené se setrvačníkem. Pro simulování závodních rychlostí je zapotřebí dynamometr roztočit na 3000 ot/min.

Brzdový výkon v F1 má několik proměnných: od požadavků na chlazení na určitém okruhu po osobní preferenci materiálu každého pilota, aby získal ten správný cit. Nalezení správného nastavení je neustále se měnícím cílem, proto je lepší, když prvotní práce začíná na dynamometru spíše než na okruhu.

Testování na dynamometru měří brzdovou výkonnost a teploty, což inženýrům pomáhá s výběrem správné velikosti kanálků a skladby materiálu pro každý závod.

Simulátor s pilotem ve smyčceSimulátor s pilotem ve smyčce je velmi důležitý nástrojem, nejde o videohru. Vždy stojí za to to zdůraznit. Jisté je, že se hraní stalo velmi sofistikovaným a někteří jezdci připouštějí, že svou prvotní zkušenost nového okruhu zažili na Play Stationu - s reálem to ale má málo společného. Simulátoru s pilotem ve smyčce, jehož průkopníkem je McLaren, představuje metodu modelování chování realistického vozu ve virtuálním prostředí s využitím vstupů skutečného jezdce.

Pilot ve smyčce staví na práci dřívějších simulátor kola, v nichž charakteristiku chování vozidla představují hodnoty rovnice, obvykle derivované ze skutečných dat z okruhu. V simulátoru kola pak mohl jezdit matematicky modelovaný pilot. Jeho nahrazení skutečným jezdcem (nasazení pilota do smyčky) vytváří realističtější simulaci.

Fyzickými komponenty plného simulátoru s pilotem ve smyčce jsou sedmiprvková stolice s autentickým kokpitem (buňkou pro přežití) obklopeným širokoúhlou zobrazovací stěnou. Kokpit obsahuje dodatečnou hmatovou zpětnou vazbu (volant a brzdový pedál s odporem; pásy, které se stahují a uvolňují při zrychlování a brzdění), aby došlo k vytvoření so nejreálnějšího zážitku.

Simulátor s pilotem ve smyčce se opět používá při návrhu vozu. Například displej nového volantu a rozložení tlačítek se vyzkouší dříve, než se dostane na auto, byť zde je platný spíše jako nástroj pro nastavení. Simulátor týmu pomůže najít základní nastavení před prvním tréninkem.

Během víkendu je provozován vyhrazeným týmem v továrně, který drží s inženýry na dráze: ověřuje rozhodnutí pro nastavení v garáži a někdy navrhuje nové směry na základě dat získaných z dráhy.

Hraje zásadní roli důležitou roli během aktivit, kdy tradičně není času nazbyt. Změny v nastavení, které celému týmu mechaniků mohou během tréninku zabrat půl hodiny, mohou být na simulátory provedeny přepnutím tlačítka, což závodním inženýrům umožňuje získat rychlý přehled.

Po omezení testování na dráze prošel simulátor s pilotem ve smyčce intenzivním vývojem. Vzhledem k jeho úspěchu byla technologie exportována do celé řady dalších průmyslových odvětví.

Aerodynamický tunelAerodynamický tunel byl v F1 celá desetiletí základem. Přes nárůst a zlepšování počítačové dynamiky tekutin (CFD, viz níže), zůstává aerodynamický tunel primární aerodynamickým nástrojem pro testování v F1.

V F1 se využívají nízkootáčkové aerodynamické tunely s uzavřeným okruhem a testují se v nich vysoce detailní modely, obvykle ve maximálně přípustné 60% velikosti. K dispozici jsou techniky pro sběr různých dat - od fotografování kouřových stop po radary Dopplerova jevu a blesková světla snímaná vysokorychlostními kamerami.

Posledním omezení pro využívání aerodynamických tunelů (omezen je počet aktivních hodin, počet celkový hodin i testů na týden) vedla k tomu, že týmy F1 podstatně zvýšily efektivitu své práce. Jedním prvkem, který k tomu přispěl, je umístění modelu do nepřetržitého pohybu a jeho provoz v různých polohách s dynamickým získáváním dat.

Tunel McLarenu se nachází v jeho technologickém centru McLaren Technology Centre. Ventilátor má průměr čtyř metrů a dosahuje 600 ot/min. Samotný tunel je 145 m dlouhý a při jeho výstavbě bylo použito 400 tun oceli. Ozdobné jezero před továrnou MTC je přestrojeným chladicím prvkem aerodynamického tunelu.

CFDPočítačový dynamika tekutin je relativně mladým nástrojem ve výzbroji týmů F1. Používá se pro simulování průtoku vzduchu (tekutiny) kolem vozidla a interakce mezi vzduchem a různými povrchy.

I když teorie není novou, využívání počítačové simulace pro modelování průtoku vzduchu kolem vozu vyžaduje úroveň výpočetního výkonu, který byl v minulém století neúměrně nákladný. Jak se procesory stávaly výkonnější (a zlevňovaly), tak CFD nabíralo na popularitě. Z pohledu nákladu je efektivnější než stavba modelů a jejich umísťování do tunelů, ale při současné úrovni pokročilosti je méně spolehlivé. Dosahuje se však velkých pokroků.

Technologie může být vnímána jako soupeř k aerodynamickým tunelům, v F1 je ale spíše vnímána jako doplňková. Často je používaná jako "první průchod" simulace pro testování nápadů. Ty nejúspěšnější návrhy v CFD jsou pak vyráběny jako fyzické modely a testovány v aerodynamickém tunelu. To se prokázalo být užitečné při současných omezení, která byla uvalena na čas trávený v tunelech (i když CFD je v současné době také omezeno).

CFD neslouží pouze pro výzkum čisté aerodynamiky vozu, ale také ke studiu proudění z výfuků, chladicích požadavků a čehokoliv z oblasti dynamiky tekutin.

Dynamické stolice pro šasiDynamická testovací stolice pro šasi někdy přezdívaná jako "natřásač" (shaker rig) či seven-poster působí silami na vůz F1 tak, aby dynamicky otestovala zavěšení (více o ní jsem psal zde). Může být nastavena pro obecné testování nebo díky dat zachycený vozem na dráze pro napodobení určitých závodních okruhů, obrubníků a všech nerovností. Aplikuje na vozidlo patřičné síly zdvihu, přítlaku, brzdění, zatáčení a zaznamenává pohyby zavěšení.

Sedm prvků (tyčí) jsou hydraulicky ovládané prvky připevněné k seizmicky izolované betonové desce ukryté pod úrovní podlahy. Technologie vznikla v automobilovém průmyslu jako čtyřprvková testovací stolice - jeden prvek byl umístěn pod každým kolem. Využívala se většinou pro testování skřípání a rachotu. Pro účely závodění byly přidány další tři prvky pro aerodynamickou zátěž šasi - simulují totiž aerodynamické síly a přenosy váhy působící na odpruženou hmotu vozu.

Dynamická stolice pro testování šasi u Red Bullu (zdroj: Youtube/Red Bull Racing)

Dynamická stolice pro šasi je jedním z mála testovacích nástrojů, kdy se používá kompletní karoserie (někdy bez křídel). I když je každý díl testován individuálně, tak sedmiprvková stolice umožňuje týmu pozorovat vzájemnou interakci mezi všemi těmito díly. Poskytuje cenná data pro parametry nastavení, jako jsou světlá výška, tuhost pružin a nastavení tlumičů.

Testování na drázePoté, co jsou v továrně vygenerovány petabajty dat, zamíří vůz F1 konečně na dráhu k poslední fázi testování. V dnešní době je takové testování omezeno jen na pár krátkých týdnů skupinových testů. To se velmi liší od situace, která v F1 panovala před několika lety, kdy si týmy užívaly vyhrazeného testování a proháněly svá auta téměř každý den v roce - někdy dokonce současně na dvou odlišných místech.

Simulační nástroje dnes z velké části nahradily tyto testovací dny na dráze, avšak oficiální testy, první a druhé tréninky během závodních víkendů jsou nyní důležitější než kdy dříve.

Testování na dráze je extrémně užitečné pro práci s pneumatikami. Zatím nikdo nevynalezl uspokojivou metodu modelování proměnlivých pneumatik, ale hodně práce na trati se věnuje ověřovacím účelům - empirickému prokazování závěrů vyvozených ze simulací.

Klíčovým slovem je korelace. Data vznikající při simulaci musí přesně odpovídat datům generovaným na dráze. Tým s bídnou korelací mezi tratí a kterýmkoliv ze svých simulačních nástrojů vyvíjí auto na základě falešných dat - a často končí tím, že je zaváděn na zcestí, protože nemá správný směr.

Proto je čas na dráze často věnován korelaci dat. Auta jsou ověnčena senzory, které sahají od jednoduchých teplocitlivých nálepek po složité aerodynamické hrábě a stožáry s Pitotovými (popř. Prandtlovými) trubicemi, které měří turbulence, tlak vzduchu a rázné další parametry proudění.

Někdy jsou ta nejméně technická řešení nejlepší. Týmy běžně využívají flow-vis - tenkou, razící vrstvu nátěru, kterou v garáži aplikují na karosérii. Auto vyjede, dokončí kolo a pak je zblízka fotografováno, aby byly vidět vzorky proudění. Jde o velmi efektivní řešení - ale obecně ho mechanici nemají rádi, protože špiní jinak zcela čistou garáž.