Riku Mykkänen
FIA FORMULA 1 2022 -AERODYNAMIIK- KASÄÄNTÖMUUTOSTEN ANALYSOINTI
Kandidaatintyö
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta
Mikko Vanhatalo
Helmikuu 2021
Riku Mykkänen: FIA Formula 1 2022 -aerodynamiikkasääntömuutosten analysointi
Kandidaatintyö Tampereen yliopisto Kone- ja tuotantotekniikka Helmikuu 2021
Kansainvälisen autourheiluliiton (ransk. Fédération Internationale de l'Automo- bile, FIA) Formula 1 -sarjassa on kautta aikojen tehty teknisiä sääntömuutoksia autojen suunnittelua koskien erinäisistä syistä. Tässä työssä tarkastellaan kau- delle 2022 voimaan astuvien sääntömuutosten vaikutusta Formula 1 -auton suunnitteluun. Sääntömuutosten taustalla on tavoite parantaa kilvanajoa radalla.
Nykyisten Formula 1 -autojen pitovoiman tuottamisessa nojataan hyvin paljon sii- piin ja muihin ilmanohjaimiin, jotka aiheuttavat paljon turbulenssia. Turbulentti- sessa ilmassa ajavan auton aerodynamiikka ei toimi halutulla tavalla ja pitovoi- maa menetetään. Tämän seurauksen radan mutkaisilla osuuksilla on vaikea päästä lähelle edellä ajavaa autoa ja yrittää ohitusta. Tätä ongelmaa pyritään lie- ventämään siirtämällä pitovoiman tuoton pääpainoa enemmän maaefektin vas- tuulle siipien sijaan.
Tärkeimmät muutokset liittyvät autojen aerodynamiikkaan ja tapaan, jolla ne tuottavat pitovoimaa, joten tässä työssä keskitytään aerodynaamisten sään- tömuutosten analysointiin. Siipien rakennetta yksinkertaistetaan ja korin ilmanoh- jaimia poistetaan turbulenssin vähentämiseksi. Pohjalevyn muotoilussa sallitaan venturi-tunnelien käyttö. Niiden avulla voidaan hyödyntää maaefektiä ja tällä ta- voin tuottaa pitovoimaa luomatta merkittävää määrää turbulenssia. Turbulenssin määrää pystytään siis vähentämään ilman, että kokonaispitovoiman määrään tu- lee merkittävää muutosta.
Sääntömuutosten seurauksena auton suunnittelufilosofiassa tulee koros- tumaan kokonaisuuden hahmottaminen ja aerodynamiikkaosien vuorovaikutus toistensa kanssa. Iso osa aerodynamiikasta tulee keskittymään ilman ohjaami- seen venturi-tunneleille ja tukemaan täten maaefektistä saatavan pitovoiman maksimoimista. Se, miten hyvin todellisuudessa muutokset toteuttavat halutun tuloksen, selviää vasta kun uuden sukupolven autot nähdään radalla oikeassa kilpailutilanteessa.
Avainsanat: Formula 1, sääntömuutokset, aerodynamiikka, pitovoima, maa-
efekti
1. JOHDANTO ... 1
2. TEORIAA FORMULA 1 -AUTON SUUNNITTELUSTA ... 3
2.1 Aerodynamiikka ... 4
2.1.1 Etusiipi ... 7
2.1.2 Takasiipi ... 8
2.1.3 Pohjalevy ja kori ... 9
2.2 Alustan dynamiikka ... 11
3. VUODEN 2022 AERODYNAAMISET SÄÄNTÖMUUTOKSET ... 14
3.1 Etusiipi ... 15
3.2 Takasiipi ... 15
3.3 Pohjalevy ja diffuusori ... 15
3.4 Korin aerodynamiikka ... 16
4. SÄÄNTÖMUUTOSTEN VAIKUTUS SUUNNITTELUUN ... 18
5. JOHTOPÄÄTÖKSET ... 21
LÄHTEET ... 22
1. JOHDANTO
Formula 1 -autot ovat teknisesti maailman kehittyneimpien ajoneuvojen joukossa ja kil- pailukykyisen auton suunnittelu ja kehitystyö vaativat paljon resursseja ja maailman par- haita insinöörejä. Formula 1 -sarjan säännöt määrittelevät tarkasti, minkä parametrien sisälle autot tulee rakentaa, ja sääntömuutokset luovat aina uusia haasteita suunnitteli- joille. Sääntömuutokset voivat myös tarjota suunnittelijoille uusia mahdollisuuksia löytää kilpailuetua. Yksi menestyneimmistä Formula 1 -suunnittelijoista Adrian Newey on poh- tinut kuinka voi käyttää sääntöjä tehdäkseen jotain, mitä ei ole aiemmin tehty (Newey 2017).
Formula 1 -maailmanmestaruussarja on yksipaikkaisten avorenkaisten kilpa-autojen kansainvälinen autourheilusarja, joka koostuu useasta osakilpailusta, joita ajetaan eri kilparadoilla ympäri maailman. Grand Prix autourheilukilpailuja oli järjestetty jo 44 vuotta ennen kuin Fédération Internationale de l'Automobile (FIA) perusti niille maailmanmes- taruussarjan, joka nykyään tunnetaan nimellä Formula 1 ja jota pidetään moottoriurhei- lun huippuna. Koko tänä aikana formula eli lajin tekniset säännöt ovat muuttuneet use- asti, mutta perimmäinen teknillinen haaste on säilynyt samana. Fysiikka auton kyvyissä kiertää kilparadan ympäri mahdollisimman nopeasti ei muutu. (Wright 2001 s.11)
Ennen siipiä ja maaefektiautoja ei tarvinnut rajoittaa kuin moottoritilavuutta ja autojen painoa. Suorituskyky ei kasvanut liian suureksi ja turvallisuus ei ollut ongelma. Aerody- naamisen negatiivisen nosteen eli pitovoiman (downforce), leveämpien sileäpintaisten renkaiden, turboahtamisen, lentotekniikkamateriaalien ja tietokoneohjattujen laitteiden myötä suorituskyvyn potentiaali kasvoi niin paljon, että nopeuden rajoittaminen oli vält- tämätöntä. (Wright 2001 s. XIV)
Tässä työssä tarkastellaan kaudelle 2022 voimaan astuvia aerodynamiikkaan liittyviä sääntömuutoksia ja pohditaan niiden vaikutusta autojen suunnitteluun. Kaudelle 2022 voimaan astuvat sääntömuutokset ovat suurimmat lajin lähihistoriassa, sillä ne muutta- vat perustavanlaatuisesti filosofiaa, jolla autot tuottavat pitovoimaa. Kyseiset muutokset oli alun perin suunniteltu otettavaksi käyttöön jo kaudelle 2021, mutta lykättiin kaudelle 2022 Covid-19-pandemian aiheuttamien taloudellisten haasteiden takia (Formula 1 2020).
Työn alussa käydään läpi teoriaa kilpa-auton suunnittelusta. Seuraavaksi tutkitaan ja se- lostetaan merkittävimmät sääntömuutokset, jonka jälkeen pohditaan niiden vaikutusta Formula 1 -auton suunnitteluun kilpa-autojen suunnittelufilosofioiden ja teorian pohjalta.
2. TEORIAA FORMULA 1 -AUTON SUUNNITTE- LUSTA
Teho, paino, renkaiden pito (kitkakerroin), ilmanvastus ja noste ovat viisi pääelementtiä, jotka määrittävät kilpa-auton suorituskyvyn potentiaalin (Wright 2001, s. XV). Kaikkien pääelementtien optimointi ei kuitenkaan tee kilpa-autosta välttämättä hyvää, vaan oleel- lista on myös hyvä tasapaino ja integraatio auton eri osa-alueiden ja systeemien välillä.
Painon, tehon, aerodynamiikan ja jousituksen tulee olla balanssissa ja niiden välisiin vuorovaikutuksiin kiinnittää huomiota. Menestyäkseen suunnittelijana Formula 1:ssä tä- hän täytyy olla luonnollinen vaisto. (Wright 2001, s. 36)
Kuva 1. Suunnittelussa huomioitavat osa-alueet (Wright 2001, s. 28)
Kuva 1 näyttää yksinkertaistetun mallin suunnittelussa huomioon otettavista asioista.
Suunnittelijan täytyy myös suunnitella auto siten, että se toteuttaa tarkat FIA:n asettamat vaatimukset.
2.1 Aerodynamiikka
Kuten mikä tahansa kulkuneuvo, kilpa-auto on erittäin monimutkainen aerodynaaminen laite. Toisin kuin lentokoneet, auto on koko ajan lähellä maanpintaa, mikä monimutkais- taa huomattavasti ilman virtausta sen ympärillä ja tekee sen ymmärtämisestä vaikeam- paa. Yhteistä on kuitenkin suuret voimat, joita autot ja lentokoneet luovat kulkiessaan ilman läpi. Molempien täytyy selviytyä ilmanvastuksesta. Lentokoneen täytyy liikkees- sään tuottaa oman painonsa verran nostetta pysyäkseen ilmassa. Kilpa-auton olisi suo- tavaa tuottaa negatiivista nostetta lisätäkseen renkaiden pitoa kiihdyttäessä, jarruttaessa ja mutkissa. (McBeath 2008, s. 9)
Formula 1 -auton aerodynamiikkasuunnittelussa täytyy ottaa huomioon, kuinka paljon suoranopeutta halutaan uhrata pitovoiman tuottamiseen, sillä pitovoiman tuottaminen varsinkin siipien avulla lisää väistämättä ilmanvastusta. Pitovoiman määrä myös kasvaa nopeuden kasvaessa, sillä pitovoiman suuruus riippuu auton ympäri virtaavan ilmavirran nopeudesta. Tätä havainnollistaa g-g-v-kuvaaja, jossa x- ja y-akselit kuvaavat pidon määrää sivu- ja kulkusuunnassa (x-akseli kääntyessä ja y-akseli kiihdyttäessä ja jarrut- taessa) ja z-akseli auton nopeutta. Yksikkö g kuvaa kiihtyvyyttä tietyssä suunnassa. Yksi g on maan vetovoiman aiheuttama putoamiskiihtyvyys eli noin 9,80665 m/s². Kuvan 2 kuvaajista huomataan, että vaikka pidon määrä on kasvanut vuosien varrella, ei huippu- nopeus ole silti kärsinyt seurauksena. Tämä on selitettävissä moottoritehojen kasvami- sella, joka kompensoi lisääntynyttä ilmanvastusta.
Kuva 2. Eri aikakausien autojen g-g-v-kuvaajat 1950-luvun Mercedes W196:sta vuoden 1998 Ferrari F300:aan. (Wright 2001, s. 25)
Renkaan vaaka- eli radansuunnassa tuottama maksimivoima on
!"##$# = ' × ) × *+#, , (1)
missä M on renkaalle kohdistuva massa, g maan vetovoiman aiheuttama putoamiskiih- tyvyys ja *+#, renkaan maksimi kitkakerroin. Tällä voimalla maksimikiihtyvyys a mas- salle M on
- = ./00102 =2×3×42506= ) × *+#, , (2) eli kun nostetta ei ole tai sitä ei oteta huomioon, ei massalla ole vaikutusta kiihtyvyyteen missään tilanteissa, joissa renkaiden pito on rajoittava tekijä. Kun yhtälöön lisätään ne- gatiivisen nosteen tuottama pitovoima
- =([2×3]:;<=>"><+#)×4506
2 = ) × *+#,+;<=>"><+#×4506
2 , (3)
missä ;<=>"><+#×4506
2 on pitovoiman aiheuttama lisäkiihtyvyys. Huomataan siis, että noste otettaessa huomioon massa vaikuttaa kaikissa tilanteissa, joissa renkaan pito on rajoittava tekijä. (Wright 2001, s. 123–124) Formula 1 -autojen massa on siis pyrittävä saamaan mahdollisimman pieneksi, sillä aerodynaaminen pitovoima on merkittävä osa suorituskyvyn kannalta kilparadalla.
Pitovoimaa tuotetaan Formula 1 -auton ympäri virtaavaa ilmaa ohjaamalla useiden eri osien avulla. Päärooleissa pitovoiman tuottamisessa ovat etu- ja takasiivet sekä pohja- levy. Yksi tärkeimmistä virtausmekaniikan periaatteista, joka tulee ymmärtää, on Ber- noullin yhtälöön perustuva venturi-ilmiö. Bernoullin yhtälö, kun alku- ja loppupää (pisteet 1 ja 2) ovat samalla korkeudella maan pinnasta, on
AB+BCDEBC = AC+BCDECC (4),
jossa p on paine, D fluidin tiheys ja v virtausnopeus (Mäkelä et. al. 2018, s.100).
Venturi-ilmiössä, jota kuvataan venturiputkella kuvassa 3, virtauksen tilavuutta rajoite- taan ja massan säilymislain mukaan massavirran on oltava vakio, joten virtaavan nes- teen jatkuvuusyhtälö on muotoa
DEBFB = DECFC= DEGFG , (5)
jossa A on poikkileikkauksen pinta-ala (Mäkelä et al. 2018, s. 99).
Kuva 3. Venturiputki (McBeath 2008 s.26)
Kun pinta-alaa pienennetään kohdassa 2, täytyy kaavan mukaan virtausnopeuden kas- vaa ja täten paineen pienentyä putken kapeassa kohdassa. Tämän jälkeen diffuusoriosio palauttaa virtausnopeuden takaisin alkuarvoonsa kohdassa 3 saadakseen takaisin ilman kineettisen energian, jolloin paine kasvaa samaksi kuin kohdassa 1. (McBeath 2008, s.
26) Tätä ilmiötä käytetään hyväksi, kun auton alle pyritään luomaan alipaine, joka tuottaa
lisää pitovoimaa. Tätä kutsutaan maaefektiksi, ja se on palaamassa Formula 1 -autoihin kaudelle 2022.
Myös pyörteiden ymmärtäminen ja hallinta auton yli virtaavassa ilmassa on tärkeää, koska sitä voidaan hyödyntää. Esimerkiksi etusiiven ja renkaiden aiheuttamia pyörteitä voidaan ohjata siten, että pitovoima takana kasvaa etusiiven kustannuksella. (Agathan- gelou & Gascoyne 1998, s. 4–5)
Aerodynaaminen pitovoima kannattaa tasapainottaa mahdollisimman lähelle renkaiden pidon ja painojakauman tasapainoa tai hieman takapainotteiseksi kompensoimaan no- peuden tuomaa epävakautta (Wright 2001, s. 52). Auton jousituksen liikkeet vaikuttavat myös merkittävästi aerodynaamiseen suorituskykyyn (Masouleh & Limebeer 2015).
Suunniteltaessa Formula 1 -auton aerodynaamisia tavoitteita täytyy ottaa huomioon ajo- neuvon dynamiikka. Pitovoiman, ilmanvastuksen, keskipaineen liike (kallistusmomentin muutos) tasapaino ja niiden sovittaminen yhteen liike-energian, jousituksen ja renkaan ominaisuuksien kanssa on yhtä tärkeä suorituskyvyn erottaja kuin moottoritehojen erot.
Nykyäänkin aerodynaamisten ratkaisujen löytämiseen tärkeimpänä työkaluna on edel- leen kokeilu ja testaaminen tuulitunneleissa eikä teoria. (Wright 2001, s. 121)
2.1.1 Etusiipi
Siivet tuottavat pitovoimaa myös käyttäen hyväksi Bernoullin teoriaa. Kuva 4 havainnol- listaa kuinka siipi tuottaa pitovoimaa. Siiven kulkiessa ilman halki, se jakaa ilmavirran kulkemaan sen yli ja ali. Sen sijaan, että ilmavirta jatkaisi suoraan ensimmäisen suun- nanmuutoksen jälkeen siiven alapinnalla, se tekeekin toisen käännöksen ja seuraa sii- ven pinnan linjaa. Ilma tarttuu siiven pintaan viskositeettinsa vuoksi. Koska ilma tekee siiven alapinnalla jyrkemmän käännöksen, sen kiihtyvyys on suurempi kuin yläpinnalla ja täten paine siiven alapuolella pienempi tuottaen alaspäin suuntautuvan voimavektorin.
Kuva 4. Kuinka siipi tuottaa pitovoimaa (McBeath 2008, s. 27)
Modernissa F1-autossa etusiipi on säädettävissä, jotta auto saadaan tasapainoon eri takasiipikonfiguraatioiden kanssa. Etusiiven tuottaman peräaallon suunnitteluun on kiin- nitettävä erityistä huomiota, koska koko muu auto ja erityisesti pohjalevy ja takadiffuusori joutuvat toimimaan peräaallon alaisuudessa. (Agathangelou & Gascoyne 1998, s. 4) Etusiiven tärkein tehtävä pitovoiman tuottamisen lisäksi onkin ilman ohjaaminen siten, että pohjalevyn, takadiffuusorin ja takasiiven pitovoima voidaan maksimoida.
2.1.2 Takasiipi
F1-auton takasiivellä on kaksi päätehtävää. Tuottaa pitovoimaa ja auttaa diffuusoria tuot- tamaan pitovoimaa. Pitovoiman tuottaminen takasiiven avulla on aina kompromissi ae- rodynaamisen tehokkuuden suhteen. Takasiiven kokoa ja mallia varioidaan radasta riip- puen. (Agathangelou & Gascoyne 1998, s. 5) Eli mikäli tietyllä radalla suoranopeus on suuremmassa roolissa, käytetään ilmanvastuksen pienentämiseksi monesti pienempää takasiipeä.
Vuonna 2011 kuljettajat saivat käyttöönsä uuden apuvälineen ohittamiseen. Drag reduc- tion system (DRS) eli avattava takasiipi pienentää ilmanvastusta ja kasvattaa suorano- peutta. Kuljettaja saa käyttää DRS:sää apunaan tietyillä suorilla, mikäli aikaero edellä ajavaan autoon on alle sekunti kyseisen DRS alueen mittauspisteessä. (Collins 2020)
2.1.3 Pohjalevy ja kori
Korin ilmanohjaimien ja pohjalevyn suunnittelu on tärkeässä roolissa aerodynaamisen tehokkuuden kannalta eli pitovoiman maksimoimisen mahdollisimman pienellä ilmanvas- tuksella. Etuna pohjalevyn käyttämistä pitovoiman tuottamiseen on se, että se perustuu alipaineen tuottamiseen virtausnopeuden erojen avulla, eikä aiheuta lisää ilmanvastusta (Agathangelou & Gascoyne 1998, s. 5).
Säännöt ovat pitkään määränneet pohjalevyn muodon tasaiseksi, joten ainoastaan au- ton takaosassa olevaa diffuusoria on voitu käyttää pitovoiman luomiseen. Pohjalevyn ollessa tasainen, ainoastaan diffuusori tuottaa alipainetta auton alle tuottaen pitovoimaa.
40% koko auton pitovoimasta tuotetaan pohjan ja korin avulla. Diffuusori on osa, joka yhdistää auton alta virtaavan ilman auton yli virtaavaan ilmaan. Diffuusorin tuottama ae- rodynaaminen stabiilius on tärkeää ajettavuuden kannalta ja siksi sen sakkausilmiö tulisi olla ennustettavissa ja säädetty tiettyihin vaatimuksiin. (Agathangelou & Gascoyne 1998, s. 5) Sakkausilmiöllä tarkoitetaan sitä, kun diffuusorin kulma on liian aggressiivinen ja pitovoimaa menetetään äkisti.
Kuva 5. Ferrari F248 F1 auton takadiffuusori (Piola 2007, s. 55)
Kuvassa 5 punaiset nuolet havainnollistavat miten diffuusori ohjaa auton ali virtaavaa ilmaa. Kuten monilla muillakin F1 -auton aerodynamiikkaan vaikuttavilla osilla, myös dif- fuusorin yhteistoiminta muiden osien kanssa erityisesti takasiiven kanssa on tärkeää.
Takasiiven alaosilla voidaan asettaa peruspaine ja siten kontrolloida sakkausominai- suuksia. Myös diffuusorin kulmalla voidaan muuttaa sakkausominaisuuksia. Suurempi kulma tuottaa yleensä enemmän pitovoimaa, mutta aiheuttaa diffuusorin sakkaamisen perän ajokorkeuden korkeammilla asetuksilla ja päinvastoin. Valittu diffuusorin kulma on yleensä kompromissi aerodynaamisen tehokkuuden ja vakauden välillä. (Agathangelou
& Gascoyne 1998, s. 5)
Kuva 6. Ferrari F2007 sivupontttooni (Piola 2008, s.44)
Auton korissa olevilla ilmanohjaimilla pyritään myös luomaan pitovoimaa. Esimerkiksi kuvassa 6 Kimi Räikkösen maailmanmestaruusautosta näkyvät sivuponttoonit ohjaavat ilmavirtaa.
Kuva 7. Ferrari F2007 korin etuosan astinlaudan ilmanohjaimet (Piola 2008, s.47) Kuva 7 saman mestaruusauton korin etuosan aluslaudan ilmanohjaimista havainnollis- taa hyvin kuinka kompleksisia rakenteita modernin Formula 1 auton ilmanohjaimet ovat.
Tällaiset ilmanohjaimet tuottavat pitovoiman lisäksi myös paljon turbulenssia.
2.2 Alustan dynamiikka
Ajoneuvon dynamiikan kannalta yksi tärkeimmistä komponenteista on jousitus. Toisin kuin katuautoissa, kilpa-auton jousitus suunnitellaan ajo-ominaisuudet tärkeimpänä prio- riteettina ajomukavuuden sijaan. Tämän takia jouset ovat yleensä jäykät ja yhdistettynä auton matalaan painopisteeseen korin liikkeet ovat hyvin hallittavissa iskunvaimentimien optimoidessa renkaiden kuormaa. (Deakin et al. 1998, s. 1)
Kuten kuva 8 havainnollistaa, ajoneuvo ja kuljettaja ovat erottamaton kokonaisuus, johon kuljettaja tuo älyn ja ajoneuvo liikuttavat voimat (Milliken & Milliken 1995, s. 124). Kuljet- tajan havainnointi ja reagointi perustuu kuljettajan aisteihin, jotka eivät ole yhtä nopeita kuin tietokoneet. Tämän takia auton täytyy olla vakaa ja ennalta-arvattava lähellä pidon rajaa ja pidon rajalla, jotta kuljettaja voi pitää auton mahdollisimman lähellä tätä rajaa.
Kuva 8. Kuljettajan ja ajoneuvon välinen informaationkulkukaavio (Milliken & Milliken 1995, s.124)
Auton massalla on suuri merkitys ajettavuuden kannalta. Kevyempi auto vaihtaa suuntaa ja kääntyy paremmin. Auton keveyden lisäksi on tärkeää, miten paino jakautuu etu- ja taka-akselien välille ja että mahdollisimman suuri osa massasta olisi akselien välissä.
Auton painojakauman etu- ja takarenkaiden välillä kannattaa olla samassa suhteessa renkaiden pidon kanssa. Eli jos eturenkaat ovat kapeammat kuin takarenkaat ja tuottavat pitoa suhteessa 40:60, myös painojakauma kannattaa saada samaan suhteeseen, jotta auto olisi tasapainossa. (Wright 2001, s. 52)
Kilpa-auton ajaminen mahdollisimman nopeasti on pohjimmiltaan mahdollisimman suu- ren kiihtyvyyden ylläpitämistä oikeaan suuntaan (Milliken & Milliken 1995, s. 3). Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että kaikki mahdollinen pito tulisi pyrkiä käyttämään. Formula 1 auton ainut kontaktipinta radan pintaan, josta pito saadaan ovat auton neljä rengasta.
Jäykällä jousituksella varustettu kilpa-auto menettää pitoa ja aikaa epätasaisella pin- nalla, koska kaikki neljä rengasta eivät välttämättä ole kontaktissa tien pinnan kanssa (Zapletal 2000, s. 1). Vaikka kitkavoiman yksinkertaistetussa kaavassa pinta-ala ei vai- kuta kitkavoimaan, todellisuudessa F1 -auton slicksirenkaiden adhesiivisten eli liimautu- vien ominaisuuksien takia renkaiden kontakti pinta-alalla on merkitystä (Milliken & Milli- ken 1995, s. 15). Tämän vuoksi alustan ja jousituksen yksi tärkeistä tehtävistä on pitää kaikki neljä rengasta kiinni radan pinnassa ja maksimoida auton ja radan kontaktipinta- ala. Renkaiden kontaktipinta-alaan vaikuttavat myös rengaspaineet ja camber-kulmat, mutta niitä ei käsitellä tässä työssä tarkemmin.
Autoon vaikuttaa aina kolmesta voimavektorista muodostuva voima, joka aiheuttaa kiih- tyvyyttä johonkin suuntaan. Painovoima, aerodynaaminen voima ja renkaiden pitovoima.
Näitä voimia kannattaa kuitenkin tarkastella erillisinä, sillä ne voivat vaikuttaa eri pai- koissa ja eri suuntiin auton alustan suhteen. (Milliken & Milliken 1995, s. 113) Formula 1 -auton jousituksen ja aerodynaamisen suorituskyvyn yhteyttä voidaan mallintaa ja jousi- tus- ja aerodynamiikkapaketti voidaan optimoida jokaiselle radalle erikseen (Masouleh &
Limebeer). Tässä työssä tarkastellaan pääasiassa aerodynamiikan vaikutuksia, joten tärkeimpänä tekijänä on aerodynaamisen pitovoiman jakaminen etu- ja taka-akselien suhteen.
3. VUODEN 2022 AERODYNAAMISET SÄÄNTÖ- MUUTOKSET
Vuodelle 2022 FIA Formula 1 sääntökirjaan tulee suuria muutoksia erityisesti auton tek- nisten säädösten osalta. Alun perin nämä sääntömuutokset oli tarkoitus ottaa käyttöön jo 2021, mutta Covid-19 pandemian myötä muutos lykättiin vuodelle 2022 (Formula 1 2020).
Viime vuosina Formula 1 -sarjaa on kritisoitu siitä, että radalla ei nähdä tarpeeksi niin sanottua rengas rengasta vasten kilpailua. Suurimpana syynä tähän on tämän hetkisten autojen tapa luottaa pitovoiman tuottamisessa ainoastaan auton yli virtaavaan ilmaan jättäen jälkeensä turbulenttisen ilman. Turbulenttisessa ilmassa takana olevan auton ae- rodynamiikka ei toimi yhtä hyvin kuin puhtaassa, laminaarisessa ilmassa, eikä täten pääse riittävän lähelle edellä ajavaa autoa radan mutkaisilla osuuksilla. Tämän ongel- man korjaaminen on ollut 2022 sääntömuutosten keskipiteenä. Nykyisillä autoilla pito- voimaa menetetään noin 40% ajettaessa toisen auton likaisessa ilmassa ja tämän luke- man arvioidaan putoavan 5-10 prosenttiin (Reynolds 2019). Voimalähdettä koskevat sääntömuutokset ovat vähäisiä ja niiden päätarkoituksena on kustannusten alentami- nen. Joitakin korin osia vahvistetaan turvallisuussyistä. Tässä työssä pyritään tarkaste- lemaan erityisesti aerodynamiikkaan liittyviä muutoksia.
Kauden 2022 sääntömuutokset painottuvat suurimmaksi osaksi aerodynamiikkaan ja eri- tyisesti pitovoiman tuottamiseen ilman suurien pyörteiden tuottamista. Pitovoimaa pyri- tään uusissa autoissa tuottamaan enemmän maaefektin avulla etu- ja takasiipien sijaan.
Maaefektin käyttöä on tähän asti rajoitettu tiukasti vuonna 1983 määrätyillä tasaisilla pohjalevyillä (Wright 2001, s. 219). Maaefektin rajoittaminen johtui turvallisuussyistä, sillä mutkanopeudet kasvoivat paljon eikä autojen turvallisuuteen panostettu juuri lain- kaan.
3.1 Etusiipi
Etusiiven käyttämistä pyörteiden luomiseen rajoitetaan entisestään. 2022 auton etusiipi saa koostua vain neljästä suljetusta osasta viiden sijaan, joiden kaarevuuksien säteet eivät saa ylittää 50 millimetriä (FIA 2020 regulations 2019, s. 14 articla 3.3.6) (FIA 2021 regulations 2019, s. 22 articla 3.9.1). Etusiipeä pyritään siis yksinkertaistamaan, jotta sen tuottaisi vähemmän turbulenssia.
Etusiiven päätylevyjen kulmia pyöristetään. Tämän seurauksena kontaktitilanteessa toi- sen auton renkaan kanssa vähennetään rengasrikon mahdollisuutta. (Piola 2019)
3.2 Takasiipi
Takasiiven kokoa kasvatetaan, yksinkertaistetaan ja sen päätylevyä yksinkertaistetaan (FIA 2021 regulations 2019, ss. 27-28 articla 3.10) (FIA 2020 regulations 2019, ss. 25- 29 articla 3.6). Suuremman takasiiven avulla voidaan ohjata peräaalto korkeammalle ja täten pienentää sen vaikutusta takana ajavaan autoon.
Takasiipeä myös käytetään maksimoimaan diffuusorin ja maaefektin kasvava vaikutus.
Takasiiven yhteistyö diffuusorin kanssa tulee korostumaan.
3.3 Pohjalevy ja diffuusori
Suurin muutos tulee pohjalevyn sääntöihin. Pohjalevy määrättiin tasaiseksi 80-luvun alussa, sillä maaefektin käyttöä haluttiin rajoittaa kasvaneiden mutkanopeuksien joh- dosta (Wright 2001, s. 136). Uusissa säännöissä maaefektin käyttö kuitenkin mahdollis- tetaan uudelleen, sillä pohjalevy ei ole enää rajoitettu tasaiseksi levyksi (FIA 2021 regu- lations 2019, ss. 15-18 articla 3.5) (FIA 2020 regulations 2019, ss. 30-34 articla 3.7).
Muutos pohjan muodossa mahdollistaa maaefektin hyödyntämisen venturi-tunnelien avulla. Tämä on suurin ja tärkein sääntömuutos auton aerodynamiikan kannalta. Korke- ampi diffuusori auttaa tuottamaan pitovoimaa auton alta virtaavan ilman avulla (Piola 2019).
3.4 Korin aerodynamiikka
Korin aerodynamiikkaa yksinkertaistetaan huomattavasti. Kuvan 9 nykyiset kylkien suu- ret ilmanohjaimet poistuvat kokonaan. (FIA 2021 regulations 2019, ss. 20-22 articla 3.7) (FIA 2020 regulations 2019, ss. 19-25 articla 3.5).
Kuva 9. Kyljen ilmanohjaimet (FIA 2020 regulations 2019, s. 23 articla 3.5) Kokonaisuudessaan yksinkertaisempi kori tekee autosta sekä sulavamman näköisen, että liukkaamman. Tasaiset pinnat ylimääräisten ilmanohjaimien sijaan vähentävät il- manvastusta.
Kuva 10. Giorgio Piolan konseptipiirros 2022 F1 -autosta (Piola 2019)
Renkaista aiheutuvaa turbulenssia pyritään hillitsemään renkaiden päälle tulevilla ilman- ohjaimilla. Ilmanohjaimet on merkitty kuvassa 10 numerolla 7 (Piola 2019).
4. SÄÄNTÖMUUTOSTEN VAIKUTUS SUUNNITTE- LUUN
Sääntömuutosten pääpiirteet keskittyvät Formula 1 -auton aerodynamiikkaan ja erityi- sesti tapaan, jolla pitovoimaa tuotetaan. Maaefektin paluu vaikuttaa suuresti koko auton suunnittelufilosofiaan, sillä sen maksimoimiseksi täytyy lähes kaikki muu aerodynamiikka suunnitella sen ympärille. Kuvassa 11 on hahmoteltu miten sääntömuutokset tulevat kar- keasti vaikuttamaan uuden sukupolven autojen aerodynaamiseen suorituskykyyn ja minkä osien suunnitteluun mikäkin muutos vaikuttaa.
Kuva 11. Aerodynaamiset muutokset ja niiden vaikutus aerodynaamiseen suorituskykyyn sekä suunnitteluun
Kaikkein suurin ja merkityksellisin muutos on pohjan venturi-tunnelien salliminen ja maaefektin paluu Formula 1 -autoihin. Auton alle muodostetaan kaksi venturi-tunne- lia, jotka kulkevat ohjaamon molemmilta puolilta. Venturi-tunnelit luovat auton alle matalamman kohdan auton keskivaiheilla, jonka läpi ilma joutuu virtaamaan nope- ammin luoden täten alipaineen avulla lisää pitovoimaa.
Etusiiven yksinkertaistumisen seurauksena pitovoima pienenee etuakselilla, mutta siitä aiheutuvaa turbulenssia saadaan vähennettyä. Etusiiven tehtävä myös muuttuu jonkin verran, sillä se kannattaa suunnitella ohjaamaan ilmaa venturi-tunneleille mak- simoiden niistä saatavan hyödyn.
Korin yksinkertaistuminen ja pitovoimaa tuottavien ilmanohjaimien poistuminen sivu- ponttooneista pienentää myös pitovoimaa ja turbulenssin määrää. Renkaiden päälle tulevat ilmanohjaimet pyrkivät rauhoittamaan renkaista aiheutuvaa turbulenssia ja ohjaamaan ilmaa venturi-tunneleille yhdessä korin etuosan muotojen kanssa.
Maaefektin myötä myös diffuusorin rooli kasvaa. Kun auton ali virtaa enemmän il- maa, nopeammin virtaavan ilman palauttaminen ja yhdistäminen auton yli virtaavan hitaamman ilman kanssa tarvitsee korkeamman diffuusorin. Diffuusorin yhteistoi- minta takasiiven kanssa korostuu myös entisestään.
Takasiiven muotoa ja päätylevyä yksinkertaistetaan, mikä pienentää sen tuottamaa pitovoimaa. Takasiiven kokoa kuitenkin kasvatetaan, joka kompensoi jonkin verran yksinkertaistuksista aiheutuvaa pitovoiman menetystä. Suuremman takasiiven on myös tarkoitus ohjata siitä aiheutuva peräaalto korkeammalle tuottaen vähemmän turbulenssia takana ajavalle autolle.
Suuri osa auton pitovoiman tuottamisesta jää maaefektin vastuulle. Haasteena ver- rattuna pääosin etu- ja takasiivillä tuotettuun pitovoimaan on pitovoiman jakaminen ja säätäminen etu- ja taka-akselien välillä. Pitovoimaa on helppo lisätä esimerkiksi etuakselille säätämällä etusiiven kulmaa ja sen vaikutus on suurempi, kun valtaosa pitovoimasta tuotetaan siipien avulla. Uuden sukupolven autoissa korostuukin erityi- sesti kokonaisuuden hahmottaminen ja osien keskinäiset vuorovaikutukset aerody- namiikassa. Kuten kuvasta 11 huomataan, lähes kaikkien osien suunnittelu keskittyy osittain, ellei kokonaan maaefektin maksimoimiseen.
5. JOHTOPÄÄTÖKSET
Kaudelle 2022 voimaan astuvien sääntömuutosten päätarkoituksena on radalla nähtä- vän tiukan kilvanajon parantaminen. Tämän saavuttamiseksi on lähdetty korjaamaan on- gelmaa autojen aerodynamiikassa. Nykyisillään autot tuottavat niin paljon turbulenssia, että takana seuraavan auton aerodynamiikka ei toimi toivotulla tavalla ja se menettää merkittävän osan pitovoimastaan. Uusilla sääntömuutoksilla pyritään ohjaaman auton suunnittelua siten, että valtaosa auton pitovoimasta tuotettaisiin siipien sijaan maaefek- tillä ja täten vähentämällä auton taakse jäävää turbulenssia.
Sääntömuutokset antavat suunnittelijoille mahdollisuuden käyttää venturi-tunneleita maaefektin maksimoimiseen ja täten suuri osa aerodynamiikkasuunnittelusta siirtyy tu- kemaan ja ohjaamaan ilmaa maaefektin hyödyntämiseen. Myös siipiprofiilien muuttumi- nen yksinkertaisimmiksi pienentää turbulenssin määrää. Maaefektistä saatava pitovoima kompensoi siivillä tuotetun pitovoiman vähenemistä, joten kokonaispitovoimaan ja täten autojen kierrosaikoihin ei tule valtavia muutoksia.
Kokonaisuudessaan auton aerodynamiikkasuunnittelussa täytyy keskittyä entistä enem- män kokonaisuuteen ja osien vuorovaikutukseen toistensa kanssa. Kun valtaosa pito- voimasta tuotetaan auton pohjanlevyn avulla, haasteeksi muodostuu pitovoiman jakami- nen ja hienosäätö etu- ja taka-akselien välille. Auton perusbalanssin täytyy olla kohdil- laan, sillä etu- ja takasiipien ratakohtaisen hienosäädön vaikutus pienenee.
Formula 1 historiassa on aina tehty ja tullaan aina tekemään suuria ja pieniä sääntömuu- toksia erinäisistä syistä. Maaefektin käyttöä rajoitettiin aikanaan turvallisuussyistä ja nyt se tuodaan takaisin lajiin parantamaan kilvanajoa. Vuoden 2022 sääntömuutosten myötä radalla nähtävä kilvanajo tulee todennäköisesti paranemaan ilman, että vauhdista tarvit- see tinkiä, mutta varmaksi sitä ei voi vielä näillä tiedoilla sanoa. Se, toteuttavatko nämä sääntömuutokset halutun tuloksen, selviää kun valot sammuvat ensimmäisen kerran ki- san alkamisen merkiksi kaudella 2022.
LÄHTEET
2020 Formula 1 technical regulations (2018). Fédération Internationale de l’Auto- mobile.
2021 Formula 1 technical regulations (2019). Fédération Internationale de l’Auto- mobile.
Agathangelou, B. & Gascoyne, M. (1998). Aerodynamic Design Considerations of a Formula 1 Racing Car. In Smith, C. Racing Chassis and Suspension Design. War- rendale, PA, U.S.A.: Society of Automotive Engineers (pp. 253-258).
Collins, S. (2020). DRS: The Drag Reduction System explained. Racecar Enginee- ring. Saatavissa: https://www.racecar-engineering.com/articles/f1/drs-the-drag-re- duction-system/. (Luettu 20.11.2020)
Deakin, A., Shovlin, A., Brooks, P. & Corolla, D. Design of a Single Seater Racing Car Suspension System. Teoksessa Smith, C. Racing Chassis and Suspension Design Warrendale, PA, U.S.A.: Society of Automotive Engineers. (pp. 115-119).
Formula 1 (2020). FIA announce new F1 regulations to be delayed until 2022. Saa- tavissa: https://www.formula1.com/en/latest/article.fia-announce-new-f1-regulati- ons-to-be-delayed-until-2022.1lwtaLmpNcQd0z9SnMEyK8.html. (Luettu
15.12.2020)
Masouleh, M. & Limebeer, D. (2015). Optimizing the Aero-Suspension Interactions in a Formula One Car. IEEE. Saatavissa: https://ieeexplore-ieee-
org.libproxy.tuni.fi/document/7307147/authors#authors. (Luettu 15.12.2020) McBeath, S. (2008). Competition car aerodynamics: A practical handbook. Spark- ford, Yeovil, Somerset, UK : Newbury Park, Calif., USA: Haynes ; Haynes North America.
Milliken, W. F. & Milliken, D. L. (1995). Race car vehicle dynamics. Warrendale:
SAE International.
Mäkelä, M., Soininen, L., Tuomola, S. & Öistämö, J. (2018). Tekniikan kaavasto:
matematiikan, fysiikan, kemian ja lujuusopin peruskaavoja sekä SI-järjestelmä. 18.
p. Tampere: Tammertekniikka.
Newey, A. (2017). How to build a car: The autobiography of the world’s greatest Formula 1 Designer. HarperCollins Publishers.
Piola, G. (2007). Formula 1 technical analysis 2006-07. Vimodrone (Milan, Italy):
Giorgio Nada.
Piola, G. (2008). Formula 1 Technical analysis 2007/2008. Vimodrone (Milan, Italy):
Giorgio Nada.
Piola, G. (2019). TECH ANALYSIS: F1’S 2021 CHANGES BY THE NUMBERS.
Giorgio Piola. Saatavissa: https://www.giorgiopiola.com/blogs/articles/tech-analysis- f1-s-2021-changes-by-the-numbers?_pos=1&_sid=d64f6f746&_ss=r. (Luettu 18.12.2020)
Reynolds. J. (2019). 2021 F1 RULES: The Key Changes Explained. Saatavissa:
https://www.formula1.com/en/latest/article.2021-f1-rules-the-key-changes-explai- ned.2dCtCkxNofk20K1B4rJwTk.html. (Luettu 1.12.2019)
Wright, P. (2001). Formula 1 technology. Warrendale (PA): Society for Automo- tive Engineers.
Zapletal, E. (2000). Balanced Suspension. Teoksessa Smith, C. Racing Chassis and Suspension DesignWarrendale, PA, U.S.A.: Society of Automotive Engineers.
(pp. 207-217).
