Każdy bolid Formuły 1 jest efektem tysięcy godzin analiz, niezliczonych obliczeń komputerowych, symulacji i testów, a także wielu sesji w tunelu aerodynamicznym, niezbędnych do optymalizacji nawet najmniejszych elementów samochodu - mimo że regulamin narzuca ścisłe limity ich wykorzystania: maksymalnie 1200 zajęć tunelu aerodynamicznego, obejmujących 960 testów i 240 godzin Wind on Time.
Układy hamulcowe nie są wyjątkiem, a Brembo poddaje wszystkie komponenty dostarczane zespołom Formuły 1 rygorystycznym i zaawansowanym testom oraz symulacjom. Część badań służy do pomiaru ciśnienia w zaciskach hamulcowych, inne analizują je w połączeniu z momentem obrotowym. Testy te przeprowadzane są przy obciążeniach o 50 procent wyższych niż maksymalne wartości zakładane na etapie projektowania. Na dynamicznym stanowisku badawczym opracowanym przez Brembo sprawdzany jest cały układ hamulcowy, łącznie z mechanizmem pedału oraz zawieszeniem, przy symulacji warunków wyścigowych. Jeśli czujniki potwierdzą pozytywny wynik, hamulec zostaje zatwierdzony do produkcji seryjnej i dostarczony zespołom na cały sezon mistrzostw.
Mimo wszystkich obliczeń oraz testów statycznych i dynamicznych historia wyścigów pełna jest nieprzewidzianych zdarzeń, które powodowały niespodziewane problemy i przekreślały szanse na sukces w Grand Prix.
W większości przypadków przyczyna była zewnętrzna i niezależna od działań zespołu, jak choćby odpadnięcie elementu z innego samochodu. Słynnym przykładem była kamera, która odpadła z Ferrari Jeana Alesiego podczas Grand Prix Włoch 1995 i uderzyła w wahacz bliźniaczego samochodu, zmuszając Gerharda Bergera do wycofania się z wyścigu.
Czasami jednak awarie były spowodowane czynnikami niezwiązanymi z innymi samochodami na torze - na przykład wtargnięciem zwierzęcia lub przedmiotem, który dostał się na tor z trybun. Coś na ten temat wie Alpine Renault, ponieważ podczas Grand Prix Bahrajnu 2021 zespół wycofał Fernando Alonso już po 33 okrążeniach, aby uniknąć poważniejszych problemów z jego samochodem A521.
Wszystko przez papier po kanapce, który utknął w tylnych wlotach chłodzenia hamulców francuskiego bolidu, powodując przegrzanie, które zakłóciło działanie układu hamulcowego.
Inżynierowie w garażu zauważyli problem dzięki telemetrii i zdecydowali się wycofać samochód z wyścigu, ponieważ dalsza jazda stanowiłaby zagrożenie dla bezpieczeństwa kierowcy oraz innych zawodników.
Historia Formuły 1 - podobnie jak sam Alonso - zna już tego typu sytuacje. W 2015 roku podczas Grand Prix Hiszpanii, jeszcze jako kierowca McLarena, Alonso został zmuszony do wycofania się z wyścigu na 25. okrążeniu po chwilach grozy. „Tylne hamulce przestały działać” - przekazał wtedy przez radio do zespołu.
Przyczyną awarii była zrywka z wizjera kasku, która dostała się do wlotu chłodzenia hamulców. Mały kawałek przezroczystego plastiku odnaleziono później pod samochodem. Podobny incydent miał miejsce podczas Grand Prix Belgii 2022, którego ofiarą padł Charles Leclerc. Już na pierwszym okrążeniu zrywka dostała się do prawego przedniego wlotu chłodzenia hamulców, powodując pojawienie się dymu, jednak podczas późniejszego pit stopu udało się ją usunąć.
Dzięki licznym czujnikom rozmieszczonym w różnych częściach samochodu zespoły przez cały czas monitorują temperaturę tarcz i zacisków hamulcowych. Na podstawie tych danych kierowca otrzymuje komunikaty dotyczące zmiany balansu hamulców lub sposobu zarządzania układem. Tego typu ostrzeżenia pojawiają się wtedy, gdy odczyty odbiegają od wcześniej przewidywanych wartości.
Znaczenie wlotów powietrza do hamulców
Jak działają wloty chłodzenia hamulców i co dzieje się w przypadku ich przypadkowego zablokowania? W okolicach kół bolidów Formuły 1 z biegiem lat pojawiały się coraz bardziej zaawansowane karbonowe kanały chłodzenia hamulców - z wlotami powietrza, skrzydełkami i deflektorami przepływu projektowanymi indywidualnie nie tylko po to, aby chłodzić układ hamulcowy, ale również pełnić funkcje aerodynamiczne.
Dzieje się tak dlatego, że poprzez oczyszczanie przepływu powietrza z turbulencji generowanych przez obracające się koło można zmniejszyć opór aerodynamiczny samochodu lub zwiększyć docisk aerodynamiczny. W przypadku zablokowania choćby jednego z wlotów chłodzenia, tarcza i klocki hamulcowe zmuszone są do ciągłej pracy w temperaturach wyższych niż optymalne.
Prowadzi to do ich utleniania, a po kilku intensywnych hamowaniach temperatura materiału ciernego może gwałtownie wzrosnąć. Przypadkowy brak wentylacji może więc najpierw doprowadzić do problemów z płynem hamulcowym, a następnie z samym materiałem ciernym.
Oprócz bardzo szybkiego zużycia materiał cierny zaczyna się spalać, powodując erozję części tarczy, podczas gdy płyn hamulcowy zaczyna wrzeć, wywołując zjawisko vapor lock. Jeśli samochód kontynuuje jazdę w takich warunkach, a kierowca mocniej naciska pedał hamulca, zużycie dociera do otworów wentylacyjnych, co może doprowadzić nawet do eksplozji tarczy hamulcowej.
Aluminium wykorzystywane do produkcji zacisków hamulcowych topi się w temperaturze 700°C. Jednak sześciotłoczkowe zaciski Brembo stosowane w Formule 1 mają gwarantowany próg pracy wynoszący 210°C - to dużo, ale wciąż mniej niż minimalna temperatura robocza tarcz hamulcowych, których zakres pracy mieści się między 350°C a 1000°C.
W przeciwieństwie do tarcz i klocków, które podczas najbardziej wymagających wyścigów - takich jak Grand Prix Kanady, z licznymi mocnymi i następującymi po sobie strefami hamowania - osiągają bardzo wysokie temperatury, zaciski Brembo nigdy nie przekraczają 200°C.
Zagadka optymalnej temperatury
Na torze im. Gillesa Villeneuve’a, a także na obiektach w Abu Zabi, Meksyku i Singapurze, rola wlotów chłodzenia hamulców staje się kluczowa. Seria gwałtownych hamowań bez długich prostych umożliwiających schłodzenie układu hamulcowego wymaga bowiem kierowania do niego bardzo dużych ilości powietrza.
Z kolei na torach takich jak Silverstone, Suzuka czy Interlagos pojawia się odwrotne zagrożenie - hamulce mogą nie osiągnąć optymalnej temperatury roboczej, co prowadzi do ryzyka zeszklenia materiału ciernego.
W takich warunkach hamulce potrzebują mniejszego przepływu powietrza, dlatego wloty chłodzenia są częściowo zamykane, ograniczając ilość powietrza kierowanego do układu hamulcowego. Na papierze takie rozwiązania wydają się logiczne, jednak strefa koła w bolidzie Formuły 1 obejmuje wiele elementów o różnych wymaganiach.
Dodatkowo trzeba uwzględnić wpływ na osiągi opon, temperaturę pracy jednostki napędowej oraz opór aerodynamiczny na prostych. Krótko mówiąc - to prawdziwa sztuka kompromisu, do której dochodzi jeszcze jedna zmienna: liczba otworów wentylacyjnych w tarczach hamulcowych. Projektowane przy użyciu obliczeń CFD (Computational Fluid Dynamics), są one efektem ścisłej współpracy producenta tarcz i konstruktorów samochodów.
W zależności od zastosowanych w danym sezonie lub przygotowanych specjalnie na konkretne Grand Prix wlotów chłodzenia, zespoły wybierają wersję tarcz, którą uznają za najbardziej odpowiednią. Dla przedniej osi Brembo produkowało tarcze posiadające nawet 1480 otworów, jednak od 2022 roku obowiązuje minimalna średnica otworu wynosząca 3 mm, co ograniczyło ich liczbę do około 1000-1100 w przednich tarczach.
Zespoły korzystające z rozwiązań Brembo używają dwóch różnych typów karbonowych tarcz hamulcowych: „wide spline” oraz „single sided spline”. W specyfikacji „wide spline” grubość części napędowej - czyli elementu stykającego się z dzwonem tarczy - jest taka sama jak grubość samej tarczy. Natomiast w rozwiązaniu „single sided spline” grubość części napędowej jest mniejsza od grubości tarczy.
Drugie rozwiązanie może sprzyjać innej strategii wentylacji tarczy oraz lepszemu upakowaniu elementów w obrębie koła, jednak odbywa się to kosztem mniej korzystnych naprężeń mechanicznych działających na karbon, co ogranicza możliwości wykonywania otworów wentylacyjnych. Wybór konkretnego rozwiązania zależy od potrzeb danego zespołu i konstrukcji poszczególnych samochodów.