F1 Techniek | Mercedes beweegt - een ophanging waar Red Bull geen antwoord op heeft

Tijdens de derde vrije training van de Grand Prix van de Verenigde Staten in Austin, Texas, was er enige ophef over het ophangingssysteem van de achteras van de Mercedes W12, na een analyse door Sky Sports meteen na de training. De Mercedes W12 zakte van achteren door op de rechte stukken, wat qua acceleratie en topsnelheid een voordeel opleverde. F1Maximaal duikt in de casus en legt uit wat er nou precies gebeurt bij het team uit Brackley.

Aan de hand van drie screenshots, afbeelding 1, lichten we de drie stadia toe in het proces van de verlaging van de achterkant van de Mercedes-bolide. In stadium 1, aangegeven met een paarse 1, komt de Mercedes net uit de bocht voor het lange rechte stuk. De gele lijn in het plaatje geeft aan waar de onderkant van de zijkant van de vleugel, aangegeven met de witte pijl, zich bevindt ten opzichte van de achterwielen van de auto, waar de naad van het loopvlak op de achterband is aangegeven met de blauwe pijl. De rode pijl wijst naar de positie van de achtervleugel t.o.v. de draagarm van het achterwiel.

In het tweede stadium, als de Mercedes al behoorlijk wat snelheid gewonnen heeft, is het duidelijk dat de achterkant van de auto naar beneden zakt. De onderkant van de vleugel bevindt zich nu duidelijk op het niveau van de naad van het loopvlak op de achterband, zie ook witte en blauwe pijlen. Bij de rode pijl is goed te zien dat de achterkant t.o.v. de draagarm gezakt is, de draagarm is ook van hoek veranderd.

In stadium drie, net bij het rempunt aan het eind van het rechte stuk, precies waar de vleugel na DRS weer aan het dichtklappen is, is de achterkant van de bolide maximaal naar beneden gezakt. Dit lijkt nauwelijks verder dan stadium drie, maar als we goed kijken lijkt het erop dat de achterkant van de bolide ook iets naar beneden gekanteld is. Dit heeft waarschijnlijk te maken met de geometrie van het systeem dat Mercedes hier gebruikt.

Waarom Mercedes met de hoogte van de achterkant speelt

De reden om met de hoogte van de ophanging te spelen op de rechte, snelle stukken, is simpel. Om bochten goed te kunnen doorkomen heb je downforce nodig. Met downforce komt altijd drag, luchtweerstand, die de auto afremt. Echter, op een recht stuk heb je maar weinig downforce nodig, en als je die op zijn minst deels kunt elimineren, kun je ook de luchtweerstand verlagen, en daarmee je topsnelheid verhogen.

Nu heeft de Mercedes-auto een ontwerp met lage rake. Dat wil zeggen dat de vloer van de auto maar een relatief kleine hoek maakt met het asfalt, gaande van voor naar achter. Dit creëert downforce, neerwaartse kracht, en ook drag. Zoals al vermeld is, is downforce voor snel rijden op rechte stukken niet in grote mate nodig, omdat daar vooral om gevraagd wordt in het zo snel mogelijk nemen van bochten, en de luchtweerstand is dan idealiter ook zo laag mogelijk.

Inzicht in de CFD

Dit is precies wat dit systeem probeert te creëren. Kijkend naar een zeer simpele CFD-simulatie (Computational Fluids Dynamics, ofwel computationele vloeistofdynamica) wordt dit snel duidelijk. Het hiervoor gebruikte programmaatje is FoilSim 3 van de NASA. Omdat de bodem van een F1-bolide een plaat is, hebben we ook een plaat als model aangehouden.

Aangezien dit een Engelstalige applicatie is, worden Engelse termen gebezigd. Zo is er sprake van een airfoil shape, wat ruwweg vertaalt naar de vleugelvorm. Ook wordt het woord camber gebruikt, wat de ophangingshoek representeert. Omdat camber in deze simulatie geen rol speelt, blijft deze op nul staan. Lift kan gezien worden als opwaartse druk - de tegenpool van neerwaartse druk (downforce, red.) dus. Drag is zoals eerder aangegeven de luchtweerstand.

Het eerste plaatje, afbeelding 2, laat een voorbeeld zien met de rake van de bodemplaat van de Mercedes, op 1,2 graden. Deze is in werkelijkheid 1,16 graden, maar voor het voorbeeld is dit accuraat genoeg. We zien dat de neerwaartse druk 1419 Newton is, en de luchtweerstand 122 Newton. Let wel, dit zijn voorbeeldwaarden, omdat met deze applicatie geen volledige auto gemodelleerd kan worden, of zelfs maar een correcte bodemplaat. Het gaat hier om het principe.

In het afbeelding 3 is de situatie gesimuleerd op het moment dat de achterkant van de bolide zover gezakt is, dat de hele bodem horizontaal ligt. De downforce wordt daardoor nul, en de luchtweerstand gaat ook omlaag, naar 97 Newton in het voorbeeld. Dat is dus zo’n 20% minder, en dat is ook wat in werkelijkheid gebeurt.

Wat zegt zo'n simulatie?

Natuurlijk is dit een heel simpele voorstelling, maar omdat de hele achterkant van de auto zakt, kantelt ook de achtervleugel met een zelfde hoeveelheid, en dat vermindert de luchtweerstand van die achtervleugel ongeveer evenveel. Deze vermindering van de luchtweerstand, met zo’n 20 procent van de onderdelen van de auto die voor de downforce zorgen, resulteert in een zelfde soort effect als het gebruik van het DRS, en maakt dat de auto een veel hogere eindsnelheid kan bereiken en ook sneller accelereert. In het geval van Mercedes scheelde dit in Turkije wel tot 20 km/u, dus net zoveel als het activeren van het DRS.

De manier waarop deze verlaging van de ophanging aan de achterkant van de auto bereikt wordt, is zuiver mechanisch. Dit wordt niet gezien als actieve ophanging omdat het niet computergestuurd is, maar alleen door downforce, mechanisch dus, geactiveerd wordt. De FIA heeft al aangegeven dat dit 'niet onderzocht hoeft te worden'. De reden dat het legaal is, vloeit voort uit het feit dat het een integraal onderdeel is van het ophangingssysteem, en puur werkt door de belasting (‘load’ zoals dat genoemd wordt) van de ophanging, net zoals de vering. Het voldoet daarmee aan Artikel 3.8 van de technische reglementen van de F1. Het wordt dan ook door meerdere teams, zoals Ferrari, in meer of mindere mate toegepast, zij het niet zo effectief als Mercedes dat nu doet.

Omdat het niet computergestuurd is, betekent dit ook dat het feitelijk maar op een enkele manier afgesteld kan worden, namelijk per circuit, en niet kan variëren van bocht tot bocht, wat met een actieve of dynamische ophanging wel mogelijk is. In een bocht wil je niet noodzakelijkerwijs dat dit mechanisch geactiveerde system in werking treedt bij een bepaalde downforce of belasting (‘load’), omdat je zoveel downforce verliest dat je eventueel de bocht niet meer haalt. Met de snelheden waarmee gereden wordt, heb je alle downforce hard nodig om niet de bocht uit te vliegen.

Afbeelding vier geeft aan hoe het zijaanzicht van de auto wordt, met een toegevoegde indicatie van het rake-niveau (geel met rode omranding). De bovenste W12 toont de bolide met 'normale' rake, terwijl de onderste afbeelding een indicatie geeft van de hellingshoek van de bolide wanneer het systeem geactiveerd is. De vlakke ligging van de bodemplaat en de plattere stand van de achtervleugel zijn duidelijk zichtbaar.

Verschillen in ophanging Mercedes W12 niet altijd even effectief

Om gebruik te kunnen maken van zo’n systeem, moet het circuit wel geschikt zijn. Dat betekent dat het circuit geen snelle bochten mag hebben, omdat daar anders downforce verloren gaat, en het mag ook niet te hobbelig zijn, omdat de auto dan voortdurend stuitert op de hobbels en de auto dan dus niet onder controle te houden is. Circuit of the Americas heeft snelle bochten, en is een zeer hobbelig circuit, met echte bulten hier en daar.

Mercedes merkte dan ook dat het systeem niet zo goed werkte op dit circuit tijdens de vrije trainingen en heeft dit vervolgens niet of maar zeer beperkt tijdens de race en kwalificatie toegepast. Toto Wolff gaf aan dat Mercedes begon met de configuratie en afstellingen van Turkije, waar dit systeem erg goed werkte, maar Turkije heeft middelsnelle bochten. Dat maakt dat het erg goed werkte in Istanbul, maar een stuk minder effectief bleek in Austin. De ophanging moest hoger afgesteld worden, om de bodem van de auto niet te beschadigen, met als resultaat dat het systeem veel minder effect had.

Het effect dat hiermee bereikt wordt, wordt in de aerodynamica met de term 'stalling' of 'stall' aangeduid. Het wordt veroorzaak door een scheiding van de luchtstroom aan de onderkant van de diffuser, doordat de verlaging het onmogelijk maakt voor de lucht sneller onder de auto door te bewegen. Dit is nodig om downforce van de bodemplaat te behouden bij een F1-bolide. Die scheiding van de luchtstroom is iets wat bij een vliegtuigvleugel, bijvoorbeeld, funest is omdat je dan alle opwaartse druk, lift, verliest, en in vrije val naar beneden komt. Bij een raceauto verlies je dus alle downforce die door de bodemplaat van de auto en de diffuser gegenereerd worden.

Waarom Red Bull dit idee niet najaagt

De Mercedes lijkt een ideale auto voor dit soort toepassingen, omdat bij een grotere rake deze toepassing veel moeilijker te implementeren is, vooral ook omdat het tegen het einde van het seizoen loopt. Het systeem moet ook snel genoeg kunnen reageren om de normale situatie te herstellen, omdat voor remmen deze downforce ook weer nodig is. Bij een auto met hogere rake zal dit moeilijker te verwezenlijken zijn dan bij een auto met lagere rake. Met andere woorden: Red Bull zal dit zeer waarschijnlijk niet meer gaan introduceren dit seizoen omdat er niet genoeg tijd meer voor is.

Tenslotte nog even de blik op de Grand Prix van Mexico. Zullen we wederom een voordeel zien van Mercedes wat rechte lijnsnelheid betreft, vanwege dit ophangingssysteem? Vermoedelijk niet. Op hooggelegen circuits geeft dit systeem namelijk minder voordelen voor de auto’s die ermee uitgerust zijn, omdat door de lagere luchtdruk de luchtweerstand en de downforce een stuk lager zijn. Dit betekent dat het Mercedes in Mexico relatief weinig of zelfs helemaal geen voordeel zal bieden.

Door: Wim G. Vandebilt