Formule 1: op zoek naar de ideale configuratie

Een raceweekend begint niet met de kwalificaties; het streven naar maximale prestaties begint zodra de auto het circuit oprijdt. Daarom zijn de rondetijden die tijdens de vrije trainingen en het voorseizoen worden neergezet slechts een indicatie, omdat elk team talloze variaties in de afstellingen test.

Ontstekingsinstelling, vermogensgenerator

Het eerste mechanische onderdeel dat elk team kan aanpassen, is de aandrijflijn, een V6-turbohybride motor in combinatie met een elektromotor die op verschillende manieren kan worden geconfigureerd. Hoewel de regelgeving grote ontwikkelingen sterk beperkt, hebben ingenieurs nog steeds mogelijkheden om het maximale uit de eenheid te halen. De meest invloedrijke daarvan is de ontstekingsinstelling, gemeten in graden en die aangeeft hoeveel graden vóór het bovenste dode punt (het hoogste punt van de zuiger) de bougie ontsteekt. Eenvoudig gezegd levert een vroegere ontsteking meer vermogen op, maar als men te ver gaat, bestaat het risico op kloppen, d.w.z. een ongecontroleerde zelfontbranding van het lucht-brandstofmengsel die letterlijk een cilinder en de hele motor kan vernielen. De veiligheidslimiet voor de ontstekingsvoorloop varieert van circuit tot circuit, met name afhankelijk van schommelingen in de omgevingstemperatuur. De versnellingsbakverhoudingen kunnen daarentegen slechts één keer per seizoen worden gewijzigd via een “joker”-wissel, dus ze zijn geen variabele van circuit tot circuit.

De snelheid van de wielen, een betrouwbare indicator

Elke F1-auto is uitgerust met talloze sensoren die gegevens registreren zoals de veerweg, de stuurhoek, de remtemperatuur, de bandenspanning, enz. Van al deze informatie zijn de gegevens over de snelheid van de wielen van de vier banden het meest veelzeggend. Ze geven blokkeringen en slippen aan en geven een duidelijk beeld van het gedrag van de auto.

Ingenieurs gebruiken deze gegevens bijvoorbeeld om te controleren of het differentieel bijna geblokkeerd is tijdens het remmen, vervolgens geleidelijk opengaat in de bocht en weer blokkeert bij het uitkomen van de bocht. Ze controleren ook de remprestaties: een lichte blokkering van de voorwielen aan het einde van een remzone is acceptabel, maar een blokkering van de achterwielen aan het begin van het remmen is een alarmsignaal dat het vertrouwen van de coureur ondermijnt.

Het geheim: een uitgebalanceerde auto

Het belangrijkste doel is om een goed uitgebalanceerde auto te krijgen die niet afhankelijk is van extreme afstellingen, waardoor hij competitief is op verschillende soorten circuits en onder verschillende omstandigheden. Een auto die ondanks het insturen van de voorwielen rechtdoor blijft rijden, wordt ‘onderstuur' genoemd, terwijl het omgekeerde, namelijk wanneer de achterwielen in een bocht slippen, ‘overstuur' wordt genoemd. Coureurs hebben hun persoonlijke voorkeuren, maar over het algemeen is een ondersturende auto langzamer maar toleranter, waardoor het risico op fouten van de coureur kleiner is. De typische gewichtsverdeling in de F1 ligt tussen 44% en 48% op de vooras. De teams kunnen deze verdeling tijdens een raceweekend lichtjes aanpassen door het ballastgewicht binnenin het chassis te verplaatsen.

Aerodynamisch evenwicht, de sleutel tot succes

Elk team begint het seizoen met een algemeen aerodynamisch concept dat bepalend is voor het ontwerp van de racewagen. Tussen de Grand Prix-races door verfijnt het aerodynamische ontwerpbureau de auto om deze aan te passen aan de specifieke eisen van elk circuit, terwijl de circuitingenieurs in overleg met de coureur de hoeken van de voor- en achtervleugels aanpassen. In de F1 komt de neerwaartse druk voornamelijk uit drie zones: de voorvleugel, de achtervleugel en de diffuser. De diffuser voegt ‘gratis' aerodynamische neerwaartse druk toe, zonder de luchtweerstand te vergroten, terwijl een grotere invalshoek van de vleugels zowel de aerodynamische neerwaartse druk als de luchtweerstand vergroot, wat ten koste gaat van de snelheid op rechte stukken (denk aan DRS). De lift/weerstandscurve (L/D) van de vleugels wordt vlakker naarmate de hoek toeneemt, wat betekent dat elke extra eenheid aerodynamische neerwaartse druk meer weerstand kost bij hogere instellingen.

Voor elk circuit wordt een streefwaarde voor de L/D-verhouding vastgesteld: ongeveer 1:1 voor Monaco, waar topsnelheid niet zo belangrijk is, en tot 4:1 voor Monza, waar snelheid op rechte stukken van cruciaal belang is. Deze doelstelling is bepalend voor de afstelling van de achtervleugel; de voorvleugel wordt vervolgens afgesteld om de gewenste aerodynamische balans te verkrijgen, doorgaans 3 tot 4 % lager dan de gewichtsverdeling van de auto om deze stabiel te houden in snelle bochten. In de praktijk duwen de teams de voorvleugel tot de comfortgrens van de coureur, waardoor de totale neerwaartse druk wordt gemaximaliseerd. Op een natte baan wordt de balans met 2 tot 3% verminderd om het onderstuur te vergroten en de coureur te helpen de controle te behouden.

Een correct gedefinieerd rolcentrum en alles werkt perfect

Zonder in te gaan op de geometrische details, is het rolcentrum het punt waarrond het chassis van de ene naar de andere kant rolt wanneer de auto een bocht neemt. De juiste positionering van dit punt zorgt voor voorspelbare wendbaarheid en soepele werking. Wanneer een Formule 1-auto een bocht neemt, bepaalt de onzichtbare strijd tussen de rolcentra en het zwaartepunt van de auto of de machine gaat slippen of wiebelen. Teams besteden talloze uren aan het afstellen van het rolcentrum, dat zich altijd onder het zwaartepunt bevindt, want hoe dichter de twee punten bij elkaar liggen, hoe minder het chassis van links naar rechts rolt. In de praktijk zorgt een hoger rolcentrum ervoor dat de draagarmen een groter deel van de belasting moeten dragen, waardoor de schokdempers minder werk hebben en de auto stabieler blijft. Aangezien het zwaartepunt van een auto door het ontwerp wordt bepaald, kunnen ingenieurs alleen het rolcentrum beïnvloeden. Om dit te doen, wijzigen ze de geometrie van de draagarmen, passen ze de camber van de wielen aan en spelen ze vooral met de stabilisatorstangen. Het doel is eenvoudig: het rolcentrum vooraan verhogen om het dichter bij het zwaartepunt te brengen, zodat de vooras beter reageert, terwijl het rolcentrum achteraan bewust lager wordt gehouden. Deze flexibiliteit achteraan bevordert een lichte rolbeweging die het gewicht naar achteren verplaatst wanneer de bestuurder accelereert, wat de tractie verbetert.

Het resultaat is een verdeling van de rolstijfheid die de voorzijde bevoordeelt (meestal meer dan 50%), waardoor de achteras flexibeler blijft en de achterbanden bij het accelereren goed op de grond blijven. Minder carrosseriebewegingen betekent ook een betere aerodynamica; een stabiel chassis snijdt met minder verstoring door de lucht. Een te stijf chassis zou echter het vermogen van de ophanging om oneffenheden op te vangen verminderen, waardoor de auto moeilijker te besturen zou zijn op oneffen oppervlakken. Stabilisatorstangen zijn de snelste manier om tussen sessies door aanpassingen te doen. Als een auto overstuurt, maken de ingenieurs de achterste stabilisatorstang soepeler om de achteras meer grip te geven. Omgekeerd wordt hardnekkig onderstuur gecorrigeerd door de voorste stabilisatorstang soepeler te maken. Op nat wegdek kan de achterste stabilisatorstang zelfs volledig worden uitgeschakeld om overmatig oversturen te beperken.

De afstelling van de wielgeometrie, een ander element van de fijnafstelling, blijft belangrijk ondanks het verbod op het DAS-systeem van Mercedes na 2020. De toespoorhoek beschrijft de hoek die de wielen vormen met de lengteas van de auto wanneer men deze van bovenaf bekijkt. De voorste toespoorhoek (tot ongeveer 2°) richt de binnenste voorband naar het hoogste punt van de bocht voordat de coureur stuurt, waardoor het ingaan van de bocht wordt verbeterd. De achterste toespoorhoek, eveneens beperkt tot ongeveer 2°, helpt overstuur tegen te gaan door de achterwielen tijdens het remmen recht te zetten, waardoor het contactoppervlak op dat kritieke moment wordt gemaximaliseerd. De afstellingen worden uitgevoerd via het stuurstangstelsel en gemeten met behulp van een “hengelstang”, maar ze moeten worden afgewogen rekening houdend met de slijtage van de banden.

De camber, d.w.z. de helling van de wielen ten opzichte van het verticale vlak van de auto wanneer men deze van achteren bekijkt, is een ander belangrijk element voor de mechanische grip. Moderne F1-auto's rijden met een negatieve camber, vooral aan de voorkant, waardoor de buitenste band in bochten plat op de baan blijft. De binnenste band krijgt onvermijdelijk een positieve camber, maar door de verminderde belasting kan de totale grip worden gemaximaliseerd. Op circuits met lange rechte stukken en een verminderde aerodynamische druk verhogen teams vaak de negatieve camber om de mechanische grip te compenseren. Ze kunnen hier echter niet te veel gebruik van maken: een te grote negatieve camber verstoort de aerodynamica van de auto en kan de zijkanten van de banden oververhitten. Daarom stellen fabrikanten zoals Pirelli strikte limieten vast.

Ten slotte zorgt de casterhoek, d.w.z. de helling van de lijn die de bovenste en onderste bevestigingspunten van de voorwielophanging met elkaar verbindt, voor extra stabiliteit. Een positieve casterhoek, waarbij het bovenste punt verder naar achteren ligt, gedraagt zich op dezelfde manier als de vork van een motorfiets, waardoor de voorwielen automatisch worden gecentreerd en een beter rijgevoel wordt geboden. Hoewel dit grotendeels wordt bepaald tijdens de ontwerpfase van de auto, kunnen teams de casterhoek tijdens de ontwikkeling nog verder verfijnen om extra controle te verkrijgen.

In hun voortdurende zoektocht naar snelheid zijn elke millimeter rolcentrum, elke graad sporing of camber en elke fractie van de casterhoek hefbomen die de teams gebruiken om hun auto's op de baan te houden en hun concurrenten voor te blijven. Achter elke razendsnelle ronde van een Grand Prix gaat een stil orkest van aanpassingen schuil, waarbij ingenieurs jongleren met een tiental onderling afhankelijke variabelen om het maximale uit een Formule 1-auto te halen. De meest veelzeggende van deze variabelen is de band, het enige contactpunt tussen de machine en het asfalt. Omdat rubber het enige element is dat in contact staat met het circuit, bepaalt het gedrag ervan de dunne grens tussen grip en rampspoed. Wanneer de temperatuur van een band de drempel van 100 °C overschrijdt, bereikt een snelle chemische reactie zijn hoogtepunt, wat een kortstondig venster van maximale grip oplevert. Zodra de reactie is voltooid, hardt het mengsel uit, wat het onvermijdelijke pitstopmoment aangeeft. De teams zijn dus op zoek naar de perfecte afstelling van de bandenspanning bij hoge temperaturen: een lagere spanning vergroot het contactoppervlak, wat de grip verbetert maar ten koste gaat van de reactiviteit en de slijtage versnelt, terwijl een hogere spanning het contactoppervlak verkleint, wat het rijgevoel verbetert maar ten koste gaat van de tractie. Door de voor- en achterdruk aan te passen, veranderen ze ook de balans van de auto: een zachtere voorkant bevordert overstuur, terwijl een lagere achterdruk de neiging heeft om de auto te ondersturen.

Het remsysteem is eveneens onstabiel, omdat het is gebouwd rond koolstofschijven waarvan de wrijvingscoëfficiënt sterk varieert naargelang de temperatuur. Binnen eenzelfde remzone kan de schijf overschakelen van remmen met grip naar slippen, en dit verschil wordt versterkt van bocht tot bocht, van links naar rechts en van voor naar achter. Om de remmen binnen een zeer smalle marge in evenwicht te houden, leveren fabrikanten schijven met verschillende diameters en perforaties, die elk zijn ontworpen om de warmte op een specifieke manier af te voeren. Maar zelfs de best ontworpen schijf kan ‘verglazen', waardoor hij bedekt raakt met een gladde laag die hem bijna onbruikbaar maakt, een toestand die vrijwel onmogelijk ongedaan te maken is. Moderne F1-auto's verminderen deze schommelingen door een combinatie van mechanische voorremmen en een achterremsysteem dat traditionele remschijven en remblokken combineert met kinetische energieterugwinning. De Brake-by-Wire-unit (BbW) interpreteert de kracht die op het pedaal wordt uitgeoefend, de huidige terugwinningsstrategie en de gewenste remverdeling om de achterdruk met uiterste precisie te moduleren, wat een consistentie oplevert die tien jaar geleden ondenkbaar was. De geometrie van de ophanging voegt nog een extra laag complexiteit toe. De ingenieurs streven ernaar om de neus van de auto op de baan te houden door de carrosserie zo laag mogelijk te houden zonder dat de voorspoiler bij het remmen of op hobbels over de grond schuurt. De achterkant is iets verhoogd om de hoek van de diffuser te optimaliseren en de neerwaartse druk te verbeteren. Om dit delicate evenwicht te bereiken, is het vaak nodig om een derde schokdemper aan de voorkant te installeren, een apparaat dat veel meer doet dan alleen oneffenheden opvangen. Door de compressie en rebound onafhankelijk van elkaar in te stellen, kan de schokdemper de banden opwarmen, de slijtage ervan beïnvloeden en de onderstuur- of overstuurkarakteristieken van de auto subtiel wijzigen. Elke afstelling heeft invloed op het chassis en beïnvloedt het rijgevoel, de remprestaties en de aerodynamische efficiëntie. Al deze hefbomen (nastelhoek, bandenspanning, elektronisch geregelde reminstellingen, schokdemperinstellingen) zijn geen op zichzelf staande knoppen, maar maken deel uit van een complex en onderling afhankelijk systeem. De uitdaging voor de ingenieurs bestaat erin deze op elkaar af te stemmen, zodat de coureur regelmatige rondetijden kan neerzetten en tegelijkertijd de banden kan sparen voor het laatste deel van de race. De coureur wordt dan de meest waardevolle sensor op het circuit en vertaalt de genuanceerde reacties van de auto in gegevens die de ingenieurs vervolgens kunnen omzetten in afstellingen. In de zeer competitieve wereld van de Formule 1 wordt de strijd zowel in de garages vol gegevens als op het circuit gevoerd, waarbij elke millimeter en elke millibar telt voor het podium.