Активная подвеска в Формуле 1
Активная подвеска – это подвеска с принудительным ходом вверх и вниз или только вниз с помощью привода, берущего энергию с энергоисточника автомобиля. Активная подвеска работает в отрицательной обратной связи с датчиком дорожного просвета. Активная подвеска выравнивая поперечный крен автомобиля, заменяет стабилизатор поперечной устойчивости (не нужен) и амортизатор крена автомобиля. Активная подвеска убирает клевки автомобиля при разгоне, торможении. Функция амортизаторов как демпферов вертикальных колебаний колеса вложена в активную подвеску, поэтому амортизаторы не нужны. Активная подвеска дает функцию изменения дорожного просвета автомобиля.
Толчком к внедрению в Формулу 1 активной подвески стал граунд-эффект, обостривший проблемы борьбы с креном автомобиля на повороте и с клевками при разгоне, торможении. Для использования граунд-эффекта необходим постоянный дорожный просвет под днищем автомобиля. Жесткие, для граунд-эффекта, пружины подвески вытрясали душу с пилота, даже через замшевые перчатки вызывали кровавые мозоли в ладонях пилотов. Подпрыгивая от неровностей асфальта автомобили с жесткой подвеской лишались граунд-эффекта.
1983г: Питер Райт с команды Лотус (Lotus) внедрил активную подвеску с принудительным ходом подвески вниз и вверх гидроцилиндром с 4 клапанами. Все клапана с компенсацией сил инерции и перепада давлений. Для уменьшения мощности гидроцилиндра с ним параллельно работает пружина.
При доводке активной подвески 4 года потрачено на достижение линейности (плавности) характеристики отрицательной обратной связи «ход датчика дорожного просвета – сила гидроцилиндра»: обратная связь вначале была нелинейной, почти релейной, что вызывало толчки ослабляющие граунд-эффект. Подключение дополнительных датчиков и 60 режимов работы в компьютере активной подвески обеспечили плавность её хода.
По данным датчиков скорости автомобиля, динамического давления воздуха (трубка Пито), датчиков продольного и поперечного ускорения автомобиля, датчика угла поворота и угловой скорости руля, датчиков силы и скорости её роста и падения в педалях газа и тормоза, датчиков силы в гидроцилиндрах подвески и скорости её роста и падения, софт подвески обеспечивает одинаковый дорожный просвет в подвеске каждого колеса по таблицам решений для реальной трассы. Таблицы реальных трасс отличались от универсальных эталонных таблиц только небольшими процентными поправочными коэффициентами.
Гидроцилиндры отрицательной обратной связью с датчиками дорожного просвета в подвеске держат постоянным дорожный просвет в подвеске каждого колеса. Сжатие пружины в наезде на неровность дороги отрицательная обратная связь симулирует подъемом гидроцилиндром вверх подвески по сигналу датчика дорожного просвета и скорости роста силы в датчике силы гидроцилиндра. Датчик силы меряет давление масла в гидроцилиндре: скорость роста силы – по скорости роста давления масла. Больше скорость роста силы в гидроцилиндре – больше ускорение открытия клапана гидроцилиндра – быстрее ход подвески вверх.
Через отрицательную обратную связь «ускорение автомобиля – эталонная сила» софт клапанами гидроцилиндра уравнивает с эталонной силу в датчике силы гидроцилиндра. В диапазоне работы подвески выше 0,6Гц эталонная сила прогрессивно растет при уменьшении сигнала датчика дорожного просвета в гидроцилиндре. В диапазоне 0-0,6Гц эталонная сила линейно растет при уменьшении сигнала датчика дорожного просвета в гидроцилиндре. При торможении софт по данным датчиков увеличивает силу гидроцилиндров подвески передних колес. При разгоне автомобиля софт по данным датчиков увеличивает силу гидроцилиндров подвески задних колес. Софт заранее управляет клапанами гидроцилиндров по сигналам всех датчиков, не дожидаясь крена, клевка машины.
Впервые автомобиль Лотус 92 вышел на старт гонки в марте 1983г в Рио, неудачно. Второй выход: Лотус 99Т в 1987г. Активная подвеска снижала износ шин, что позволило Айртону Сенне за счет отказа от пит-стопа для замены колес победить в 1987г в маневренных гонках в Монако и Детройте. Это последние победы команды Lotus: в 1994г после запрета активной подвески, самая легендарная в инженерии команда Формулы 1 обанкротилась.
Активная подвеска автомобиля Lotus на 12кг тяжелее обычной, в пиковых режимах берет 15-20л.с. мощности мотора.
1987г: активную подвеску с принудительным ходом подвески только вниз применили в гонках Френк Дерни, Боб Питчерт (фирма AP), команда Вильямс (Williams). Для уменьшения мощности гидроцилиндра ему помогает пружина. Система датчиков, работа гидроцилиндра вниз, принцип работы одинаков с Lotus, но нет силового хода гидроцилиндра вверх, число клапанов гидроцилиндра уменьшилось с 4 до 2. Вместо силового хода вверх гидроцилиндр работает как амортизатор, пропуская масло дроссельным клапаном с регулируемым компьютером сечением.
На доводку активной подвески команда Вильямс потратила 5 лет. Активная подвеска автомобиля Williams: вес на 33% меньше чем в Lotus, на 20% меньше неподрессоренный вес, в пиковых режимах берет 10-15л.с. Благодаря активной подвеске Williams в 1992г победил остальные команды с превосходством, какое не имел никто и никогда.
Работа пилота с активной подвеской более комфортна, менее тряская, меньше выматывает, менее вредна для здоровья пилота, чем с эквивалентной по управляемости автомобиля сверхжесткой настройкой обычной подвески. Безопасность гонок обратно пропорциональна усталости пилота. Активная подвеска была модной в автогонках Формулы 1, т.к. уменьшила нагрузку на шины, затраты команд на шины; уменьшила усталость гонщиков; повысила безопасность гонок; увеличила (удешевила затраты на них) ресурс карданных валов, двигателя, коробки передач, сцепления.
Активная подвеска после доводки стала самой большой статьей экономии средств команд: строчки кода (настройки привязаны к ускорениям, скоростям, коэффициентам сцепления в каждой точке трассы) софта активной подвески заменяют несколько высокооплачиваемых инженеров вместе с их зарплатой, снабжением (межконтинентальные транспортные расходы, оборудование, гостиницы...). Софт активной подвески легко менял настройки подвески по состоянию дороги, износу шин, изменению в ходе гонки развесовки по осям, давления в шинах.
Большинство команд Формулы 1 за активную подвеску и в переговорах с чиновниками F1, FIA они неоднократно поднимают вопрос о разрешении на активную подвеску, но из-за профессиональных различий интересы чиновников F1, FIA обычно противоположны интересам команд, что было особенно заметно при запрете чиновниками граунд-эффекта, хотя все команды были против. В 1994г чиновники FIA запретили активную подвеску вместе с антиблокировочной и противобуксовочной системами из-за скрытого стремления FIA и руководства Формулы 1 с 1980-х к выполнению финансовых интересов производителей гоночных шин, которым невыгодно уменьшение расходов команд на шины из-за активной подвески, других систем. Далее FIA ввела ежегодную монополию поставки шин Формулы 1 только одним производителем (ежегодно сменялись) шин для снижения расходов (монопольный рост прибыли) на разработку шин.