2. Utrzymanie optymalnego okna pracy

Karbonowy układ hamulcowy ma stosunkowo wąski zakres temperatur, w którym działa prawidłowo (zwykle od 350°C do 550°C). Z tego powodu zadaniem inżynierów Brembo jest nie tylko zapobieganie przegrzewaniu, ale również przeciwdziałanie nadmiernemu wychłodzeniu.

Zapobieganie wychłodzeniu: zbyt niska temperatura (poniżej 350°C) drastycznie obniża współczynnik tarcia, a w konsekwencji moment hamujący.

Zmienna kontrola aerodynamiczna: wielkość i geometria wlotów powietrza są stale modyfikowane i dostosowywane (często poprzez częściowe zasłanianie otworów specjalnymi taśmami) w zależności od charakterystyki toru, poziomu docisku aerodynamicznego oraz warunków otoczenia, tak aby przez cały wyścig utrzymać hamulce w optymalnym oknie temperaturowym

Projektowanie wewnętrznych kanałów wentylacyjnych karbonowych tarcz hamulcowych typu carbon-carbon (C/C) Brembo to zadanie wymagające najwyższej precyzji inżynieryjnej, w dużej mierze oparte na obliczeniowej mechanice płynów (CFD).

1. Główny cel CFD: równomierna kontrola temperatury

W przypadku tarczy C/C celem nie jest wyłącznie chłodzenie, lecz również kontrolowanie temperatury w taki sposób, aby rozkład siły tarcia był możliwie równomierny.

Maksymalizacja przepływu masowego: modele CFD symulują przepływ powietrza wpływającego do kanałów chłodzących i jego dystrybucję wewnątrz tarczy, dążąc do zapewnienia jak największej objętości świeżego powietrza przepływającego przez wewnętrzne kanały przy jednoczesnym minimalizowaniu spadków ciśnienia.

Równomierny rozkład temperatury: głównym wyzwaniem technicznym są lokalne naprężenia termiczne wynikające z nierównomiernego nagrzewania. CFD pozwala tworzyć szczegółowe mapy termiczne, aby uzyskać możliwie najbardziej jednorodne odprowadzanie ciepła - to kluczowy czynnik zapobiegający pęknięciom i nierównomiernemu zużyciu tarczy.

Ewolucję tarcz hamulcowych można bez trudu dostrzec gołym okiem: aby zwiększyć przepływ powietrza odpowiedzialnego za chłodzenie, inżynierowie Brembo stopniowo zwiększali liczbę promieniowych otworów wentylacyjnych, jednocześnie zmniejszając ich rozmiar.

Ponad dwadzieścia lat temu karbonowe tarcze Brembo miały maksymalnie 72 otwory - rozmieszczone w jednym rzędzie, a średnica każdego z nich przekraczała jeden centymetr. To właśnie z tymi tarczami Michael Schumacher zdobył w 2002 roku mistrzostwo świata, odnosząc 11 zwycięstw i stając na podium we wszystkich 17 Grand Prix sezonu.

Już kilka lat później, wraz z postępem prac badawczo-rozwojowych, po raz pierwszy przekroczono granicę stu otworów: w 2006 roku tarcze miały ich już 100 - mniejszych i o charakterystycznym owalnym kształcie, uznawanym wówczas za optymalne rozwiązanie.

Przepisy wprowadzone w 2007 roku nałożyły nowe ograniczenia: średnicę tarczy ustalono na 278 mm, maksymalną grubość na 28 mm, dopuszczono chłodzenie wyłącznie powietrzem, a także zakazano wyprowadzania elementów systemu poza tylną część koła. Ograniczenia te skłoniły inżynierów Brembo do jeszcze intensywniejszych prac nad poprawą efektywności chłodzenia.

Do 2008 roku, przy uwzględnieniu limitu grubości wynoszącego 28 mm, wprowadzono nowy układ wentylacji: otwory rozmieszczono w dwóch sąsiadujących rzędach ze wspólną sekcją, tworząc serię elementów przypominających odwróconą cyfrę „8”. Oprócz nowej konstrukcji podwojono także ich liczbę, osiągając poziom 200 otworów na tarczę.

W 2010 roku, po zakazie tankowania podczas wyścigów, zwiększyły się rozmiary zbiorników paliwa, a w konsekwencji minimalna masa bolidów wzrosła z 605 kg do 620 kg. Konieczne było zrewidowanie założeń dotyczących układu hamulcowego, tak aby zachować wysoką skuteczność zarówno w lekkich samochodach, jak i przy pełnym obciążeniu paliwem. W rezultacie sama liczba otworów przestała być najważniejszym priorytetem.

Dwa lata później FIA zakazała stosowania dmuchanych dyfuzorów, co ograniczyło docisk aerodynamiczny na tylnej osi. W konsekwencji balans hamowania jeszcze mocniej przesunął się w stronę przedniej osi, a aby poradzić sobie ze zwiększonym obciążeniem bez ryzyka przegrzewania, Brembo ponownie znacząco zwiększyło liczbę otworów.

Dzięki wykorzystaniu obliczeniowej mechaniki płynów (CFD) - czyli analizy dynamiki przepływu z użyciem symulacji komputerowych - oraz postępom w obróbce karbonu, w 2012 roku liczba otworów wentylacyjnych w jednej tarczy wzrosła do 600. Stało się to możliwe dzięki wprowadzeniu trzeciego i czwartego rzędu otworów, zmniejszeniu ich średnicy oraz wyeliminowaniu nakładania się stref, które ograniczało powierzchnię kontaktu z przepływającym powietrzem.

W 2013 roku, korzystając z dużej stabilności regulaminowej, Brembo wprowadziło nowy typ karbonu do swoich tarcz. W porównaniu z wcześniejszym materiałem CCR, specyfikacja CER zapewniała maksymalnie szybkie osiąganie temperatury roboczej, szeroki zakres pracy oraz bardzo liniową charakterystykę działania.

Również na regulacyjną rewolucję 2014 roku Brembo było dobrze przygotowane. W tym sezonie do Formuły 1 powróciły silniki turbo, niewidziane od 1988 roku, choć ich pojemność ograniczono do 1,6 litra, a maksymalną prędkość obrotową do 15 000 obr./min. Dodatkowo wprowadzono technologię hybrydową z wykorzystaniem dwóch silników elektrycznych, a minimalna masa bolidów wzrosła z 642 kg do 691 kg.

Znaczący wzrost masy wymusił przeprojektowanie układu hamulcowego, również ze względu na wprowadzenie systemu Brake-by-Wire. Jednocześnie kontynuowano rozwój wentylacji, a liczba otworów w jednej tarczy przekroczyła tysiąc.

W 2016 roku, po raz pierwszy, dążenie do maksymalizacji osiągów konstrukcyjnych pozwoliło osiągnąć rekordowy poziom 1 100 otworów na tarczę. Był to wstęp do kolejnego wyzwania, ponieważ w 2017 roku szerokość bolidów ponownie wzrosła do 2 metrów - jednorazowo o 20 cm. Zwiększono również szerokość przedniego skrzydła i opon, co przełożyło się na wzrost osiągów, w tym 25-procentowy wzrost momentu hamującego.

Przepisy uwzględniły ten wzrost osiągów, zwiększając grubość tarcz hamulcowych z 28 mm do 32 mm. Większa grubość umożliwiła dalsze zwiększenie liczby otworów wentylacyjnych, co doprowadziło do kolejnej ewolucji układu chłodzenia. W efekcie od sezonów 2017-2018 każda tarcza była wyposażona w 1 260 otworów.

Zespoły mogły jednak wybierać spośród trzech różnych rozwiązań tarcz Brembo, w zależności od przewidywanych temperatur podczas danego Grand Prix oraz przyjętej strategii wyścigowej. Stało się to jeszcze bardziej widoczne w 2020 roku, gdy wprowadzono sześć wariantów karbonowych tarcz, zaprojektowanych z myślą o stale rosnących osiągach jednostek napędowych.

Dla przedniej osi zespoły mogły wybierać pomiędzy tarczami „Very High Cooling” z 1 470 otworami rozmieszczonymi w 7 rzędach, tarczami „High Cooling” z 1 250 otworami w 6 rzędach oraz tarczami „Medium Cooling” z 800 otworami w 4 rzędach. Dla każdego wariantu wentylacji dostępna była również wersja z obróbką zewnętrznej średnicy, tzw. groove, tworzącą rozbieżny profil w zewnętrznej części tarczy w celu uzyskania dodatkowych korzyści aerodynamicznych.

Sześć specyfikacji wentylacyjnych dla przedniej osi zostało zredukowanych do zaledwie kilku po ostatniej zmianie regulaminowej: minimalna masa bolidu wzrosła z 752 kg do 798 kg, zmieniła się aerodynamika, a dotychczasowe 13-calowe koła ustąpiły miejsca 18-calowym.

Nowe przepisy techniczne wpłynęły również na układy hamulcowe, zwiększając średnicę tarcz z 278 mm do 328 mm z przodu oraz z 266 mm do 280 mm z tyłu, przy jednoczesnym utrzymaniu grubości 32 mm wobec wcześniejszych 28 mm.

Zmieniła się także sama architektura układu: zakazano stosowania otworów chłodzących w klockach hamulcowych, a dla otworów w tarczach wprowadzono minimalną średnicę 3 mm. Miało to bezpośredni wpływ na ich liczbę, ponieważ wcześniej średnica wynosiła 2,5 mm. Po raz pierwszy doprowadziło to do zmniejszenia całkowitej liczby otworów - z 1 470 w 2021 roku do obecnych 1 050.

To swoiste „stop and go” w oczekiwaniu na kolejny technologiczny skok, spodziewany w następnym sezonie - ponownie w walce z największym wrogiem Formuły 1, czyli temperaturą.