NewLink.ru - Гоночная Библиотека Главная | Контакт | Поиск
| Новости | О проекте | Пилотаж | Настройка | Разное | Медиа | Ссылки | Блог |
.
Теория большого взрыва
1. Гонщики - те же марафонцы
2. Гибкая политика
3. Шпионские страсти
4. Читая между строк
5. Подготовка к Гран При
6. Теория большого взрыва

От NewLink.ru:
Эта статья была отсканирована с вырезки журнала F1Racing за Май 2006 г. Текст: Дом Тэйлор; Фото: Getty Images; Иллюстрации: Alan Eldridge. Все права принадлежат авторам этой статьи и владельцам журнала. Размещение данной электронной статьи на данном ресурсе не носит коммерческий характер, а предназначено исключительно для ознакомления. Причина, по которой эта статья оказалась здесь, очень проста. Статья очень интересная, а многие по разным причинам не смогли ее прочитать или даже просто не знали о ее существовании. А так как повторения этого материала в журнале, скорее всего, не будет, было бы жалко его просто потерять и забыть. Если мы забыли кого-то упомянуть или ущемили чьи-то права, просим сообщить об этом по электронной почте. Желаем приятного просмотра!!!

Теория большого взрыва
Новые V8 тоже взрываются, совсем как старые V10. Но почему? Какие причины приводят к отказам? Обратимся к науке...


Мотор Ф1 три человека собирают за три дня. А разрушается он буквально за три секунды. 2,4-литровый двигатель V8 состоит из 5000 деталей, и любая из них может подвести, что, скорее всего, приведет к отказу этого сверхлегкого (95 кг) и сверхмощного (750 л.с.) агрегата. Причин неполадок не перечесть, но вот основные: непроверенные или бракованные детали, усталость, случайные повреждения. Соответственно все это можно разбить на пять основных категорий: отказы механики, проблемы с электроникой, утечки, неполадки привода дроссельных заслонок и системы питания.

Внешне отказ двигателя выглядит так: машина выбрасывает столб жирного масляного дыма - и мотору приходит конец. Но разрушительные процессы, предшествующие этому событию, скрыты от нашего взгляда...

ОТКАЗЫ МЕХАНИКИ
Они происходят, когда движущиеся части мотора ломаются, теряя изначальную форму и затем обо что-нибудь ударяясь. Один из частых отказов - трещина в поршне.

Отказ может быть вызван массой причин, но самая простая - усталость металла: если поршень выработал ресурс, он трескается. Когда он носится внутри цилиндра со скоростью 40 м/сек при 20 тыс. об/мин, на его плоскую алюминиевую головку действуют огромные силы. А чтобы уменьшить инерцию поршня и максимально увеличить обороты, его делают как можно более легким.

Если поршень трескается на тестах, обычно это удается заметить до того, как повреждается камера сгорания, что позволяет избежать более серьезных проблем. За давлением в картере двигателя следят внимательно, и любые нештатные показания приборов активизируют аварийную электронику, которая успевает остановить машину до того, как начинаются серьезные разрушения.

Если же двигатель продолжает работать (как это бывает в ходе гонки, когда аварийные системы отключены), трещина увеличивается. В результате либо в поршне образуется дыра, либо он раскалывается надвое. В обоих случаях поршень, продолжая болтаться в цилиндре, уже утратил свои изначальные размеры и форму, он полностью
разбалансирован, и потому раскаленные газы из камеры сгорания начинают проникать туда, куда им обычно путь закрыт. И очень быстро поршень разваливается.

Энергия от вспышки внутри цилиндра передается коленчатому валу через шатун, верхняя головка которого закреплена на поршне. Когда последний разваливается, шатун начинает яростно колотиться о стенки цилиндра, поскольку коленвал, с которым он связан, продолжает вращаться со скоростью, достигающей 20 тысяч об/мин. Такой шатун моментально пробивает дыру в стенке алюминиевого блока - и тогда 350 млн телезрителей видят, как из машины начинает валить жирный масляный дым.

Гайка, случайно оброненная в гараже внутрь выпускного коллектора, произведет тот же эффект. Если механику, допустившему этот просчет, повезет и выпускной клапан будет закрыт, то гайку выбросит наружу, когда двигатель заведется. Если же клапан открыт, гайка может попасть внутрь цилиндра и окажется на поршне. Любой посторонний предмет, попавший в цилиндр, - это, разумеется, страшная неприятность. Когда двигатель заработает, гайка пробьет дыру в поршне или в головке блока цилиндров или выбьет один из клапанов. В общем, труба дело.

Прочие механические проблемы, например поломка коленвала, происходят реже, поскольку конструкторы хорошо изучили торсионные нагрузки, которым подвергаются части двигателя. Коленвал может сломаться, только если в его конструкции допущена грубая ошибка (например, если в погоне за снижением веса его сделали слишком тонким) или если нагрузка на него вдруг неожиданно превысит расчетную, как это бывает, когда заклинивает коробку передач. Но уж когда коленвал ломается, то двигатель взрывается, словно бомба, и блок цилиндров разлетается на куски.

П р о д о л ж и т е л ь н о с т ь    ж и з н и    м о то р а    -    и    в е ро я т н о с т ь    о т ка з о в .
1. Отказы на ранней стадии (╚детская смертность╩)
Подобные вещи обычно связаны либо с неопробованными, либо с бракованными деталями и чаще всего происходят в начале жизни мотора. Каждый новый агрегат испытывается на стенде, проверяется, вновь возвращается на стенд, и только потом его ставят на машину. Главное, чтобы он был в фазе максимальной надежности. Но какой-то частью ресурса мотора приходится жертвовать, чтобы избежать ╚детских болезней╩.
2. Отказы на поздней стадии (усталость)
Любая деталь двигателя так или иначе подвергается нагрузкам, что в итоге приводит к ее старению. По мере накопления усталости металла его свойства меняются, он становится менее твердым, более хрупким и в итоге ломается. Двигатель спроектирован так, чтобы выдержать минимальную расчетную дистанцию (около 1200 км, т. е. две гонки), после чего вероятность усталостных отказов резко возрастает. На тестах мотор проходит больше - около 1500 км, что перекрывает расчетный предел надежности.
3. Случайные неисправности (человеческий фактор)
Надежность двигателя всегда зависит от человеческого фактора. Что-то может произойти и во время сборки мотора, и во время его установки, и в ходе гонки, и в ходе обслуживания (например, в выхлопной коллектор упадет гайка). Но подобные ошибки происходят редко, поскольку в наше время все эксплуатационные методики уже достаточно отработаны.


ПРОБЛЕМЫ С ЭЛЕКТРОНИКОЙ

Отказ электроники чаще всего приводит к тому, что двигатель просто глохнет без особых последствий. Пиарщики команд всегда все сваливают на электронный блок управления (ЭБУ) - это лучше, чем признать, что проблема на самом деле была с самим мотором. Один эксперт рассказывал о некоем телекомментаторе, однажды оказавшемся рядом с машиной, в блоке цилиндров которой зияла дыра: ╚Вода и масло хлестали ручьем, под ноги ему уже лужа натекла, а он объявляет, что "команду постигла очередная беда с новой системой управления двигателем"╩.

Сам ЭБУ редко выходит из строя. В основном проблемы случаются с датчиками или проводкой, где или контакт пропадает, или она страдает от перегрева, что, в свою очередь, связано с ошибками компоновки.

УТЕЧКИ МАСЛА
Масло не только смазывает - оно еще и принимает на себя часть тепла и потому играет важнейшую роль в охлаждении двигателя. Но любая его утечка может иметь катастрофические последствия.

Разумеется, масло снижает трение между подвижными частями; при этом самые большие нагрузки приходятся на нижние подшипники шатуна и шейку коленвала. Без масла металл начинает тереться о металл, выделяется большое количество тепла, и все кругом начинает плавиться, теряя прочность. Отслаивающиеся частицы металла создают абразивный эффект, и температура повышается еще больше. В итоге шатун иногда даже приваривается к коленвалу. Тогда он уже не может вращаться на шейке, отрывается от поршня и пробивает дыру в блоке. Game over!

УТЕЧКИ ВОЗДУХА
Система пневматики управляет работой впускных и выпускных клапанов, расположенных в головке блока цилиндров. В ходе рабочего цикла, когда клапаны впускают в цилиндр воздушно-топливную смесь, закрывают его во время тактов сжатия и сгорания и выпускают отработанные газы, от поршня их отделяют считанные миллиметры.

Чтобы не уткнуться в поршень, клапаны должны поспевать за скоростью работы двигателя. Открываются они кулачковыми валами (с приводом от коленвала), а за скорость их закрытия отвечают пневмопружины.

Утечка воздуха из пневмосистемы ведет к падению давления, из-за чего на определенных оборотах двигателя клапаны начинают отставать от кулачков. Поршень, продолжающий двигаться с прежней скоростью, неизбежно столкнется с клапаном, если тот не успеет вовремя закрыться до такта сжатия.

И тогда шток клапана согнется, а тарелка оторвется. Все это хозяйство окажется в цилиндре и тут же пробьет дыру в поршне или в головке блока, а то и в водяной рубашке. Масло и охлаждающая жидкость хлынут в выпускной тракт - и привет родителям!

На тестах инженеры, заметив падение давления в системе пневматики, возможно, вообще не станут запускать двигатель. Но в ходе ГП остается только просить гонщика избегать максимальных оборотов и надеяться, что проблема не усугубится.


   Н е м н о г о    н а у к и :    к а к    р а б о т а е т    д в и г а т е л ь    Ф 1
А. Поршень
Алюминиевый. Испытывает ускорение до 10 000 g. Четырехтактный цикл: впуск - сжатие - расширение - выпуск.
1-й вниз - впуск: впускные клапаны открыты, смесь засасывается в камеру сгорания
2-й вверх - сжатие: клапаны закрыты, происходит сжатие смеси
3-й вниз - расширение: клапаны закрыты, смесь поджигается, поршень устремляется вниз
4-й вверх - выпуск: выпускные клапаны открыты и отработанные газы удаляются из камеры


В. Шатун

Титановый. Передает энергию от поршня на коленвал во время рабочего хода (см.3, вверху)

С. Коленчатый вал

Стальной. Вращается шатунами (прикрепленными к шейкам), передавая мощность к задним колесам через трансмиссию. Вращается со скоростью до 20 тысяч об/мин (333 оборота в секунду)

D. Свеча зажигания
Поджигает смесь (3) 8 млн раз за гонку

Е. Впускной клапан
Впускает смесь в цилиндр (1); за точность его работы отвечает пневматика

F. Выпускной клапан

Выпускает отработанные газы (4); за точность его работы тоже отвечает пневматика

G. Кулачковые валы

Вращаясь вместе с коленвалом, приводят в движение клапаны

УТЕЧКИ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ

 
На тестах у Red Bull возникли проблемы с охлаждением, которые пришлось спешно решать вот таким образом...

За охлаждение двигателя приходится расплачиваться дополнительным весом (возить с собой жидкость) и аэродинамическими потерями (по бокам машины в понтонах находятся радиаторы). Мотор проектируется так, чтобы его рабочая температура была максимально высокой, а размеры радиатора при этом - как можно меньше. Поэтому любые потери охлаждающей жидкости могут нарушить точно рассчитанный тепловой режим двигателя. Если в понтон забьется какой-нибудь мусор, например обертка от гамбургера, этого уже достаточно, чтобы температура вышла из-под контроля. А серьезные утечки жидкости вызовут просто катастрофические последствия.

Детали, рассчитанные на работу в определенном диапазоне температур, теряют прочность. Стальные шпильки, которыми алюминиевая головка цилиндров крепится к блоку, могут ослабнуть. Если это случается, раскаленные газы из камер сгорания прорываются наружу, и мотору приходит конец, поскольку все полимерные уплотнители и сальники в двигателе начинают протекать один за другим.

ПРОБЛЕМЫ С ДРОССЕЛЕМ
Часто бывает, что за поломку двигателя принимают неисправности гидравлики. Например, в Малайзии Cosworth на машине Марка Уэббера отказал после того, как начались проблемы с гидросистемой трансмиссии. В самом двигателе гидравлика приводит в действие дроссельные заслонки, поэтому при возникновении неисправности они могут закрыться или, что хуже, залипнуть в открытом положении. В такой ситуации должна сработать одна из немногих аварийных систем, которые остаются включенными во время гонки, и заглушить мотор, поскольку при залипании дросселя машину Ф1 никакие тормоза остановить не смогут.

ЭБУ следит за тем, чтобы между педалью газа и движением дроссельных заслонок была постоянная связь. При любых ее нарушениях двигатель будет заглушён. Впрочем, если гонщик захочет специально спалить мотор, это никак не предотвратить. В 2004 году в Бахрейне разъяренный Кими Ряйккёнен именно так и сделал, когда начал сдавать мотор Mercedes. Стоило выжать газ до упора на нейтральной передаче - и он разрушился за несколько секунд. Кими, наверное, хихикал, когда мотористы Mercedes, проводя вскрытие, долго гадали о причинах случившегося, но докопаться до сути проблемы так и не смогли.

ПРОБЛЕМЫ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ
Проблемы довольно неприятные: если в баке есть топливо, но оно не поступает в двигатель или почему-то поступает не так, как надо - машина никуда не едет. Все просто. Так почему же инженеры Ф1 не в состоянии построить мотор столь же надежный, как на легковых машинах? Ну, вообще-то они могут, но тогда это будет уже не гоночный мотор, в котором применены последние технологии и который отличается минимальным весом и впечатляющей мощностью. Удельная мощность современного мотора Ф1 равна 300 л. с. на литр, а весит он всего около 100 кг. Чтобы этого добиться, приходится вплотную подходить к пределу технологических возможностей.

Arty © 2003 - 2010