همه چیز درباره طراحی خودروهای فرمول یک

اشتباه بزرگ آنجا است که فکر کنیم، بخش آیرودینامیک طراحی ماشین فرمول یک به صورت کاملا ایزوله از بقیه دپارتمان‌های طراحی تیم فرمول یک، طراحی بدنه را انجام می‌دهد، و تمام همکاران خود را با یک ساختار رها می‌کند تا تمام اجزا ماشین را به هم متصل کنند. خیر، طراحی ماشین فرمول یک در همکاری و تطبیق پذیری خلاصه می‌شود.

به گزارش خودروتک ، از زمان اولین اسکیس‌های طراحی تا تست زمستانی در بارسلونا، حدود 12 ماه زمان برای تهیه و ساخت یک ماشین فرمول یک طول می‌کشد. در اینجا داستان تولد ماشین فرمول یک را در چهار قسمت با نگاهی دقیق، توسط مدیر فنی بخش شاسی رنو آقای نیک چستر(Nick Chester) پی خواهیم گرفت.

از نگاه یک تحصیل کرده آناتومی، ماشین فرمول یک از تعداد تقریبی 20 هزار قطعه تشکیل می‌شود. وقتی کنار یکدیگر قرار گیرند، شاهد تحقق یک مدل مفهومی خواهیم بود و تجسم یک ایده خلاقانه است.

چستر می گوید: از یک ایده مفهومی در ذهن شروع می شود تا محصول نهایی ساخته شود، ساخت یک ماشین فرمول یک بیش از یک سال زمان می برد و شاید در حدود 14 ماه طول بکشد. مساله زمان بسیار بستگی به میزان تغییرات اعمال شده بر روی مفهوم اصلی دارد.

قبل از اینکه این پازل پیچیده در کنار هم به محصول نهایی تبدیل شود، تیم فرمول یک باید بخش های اصلی تغییرات را در جهت مسیر طراحی خودرو فرمول یک، دریابد.

چستر می افزاید: وقتی شما یک بازه زمانی با قوانین مشخص دارید، شروع به کار بر روی خودرو کنونی به عنوان اولین پایه طراحی می کنید. شما شاید می دانید که کدام مسائل به طور دقیق در خودرو، نقاط ضعف شما خواهند بود. به عنوان مثال، سیستم خنک کنندگی ماشین چندان ایده آل نیست. پس بنابراین به عنوان قسمت جدید، شما شروع به طراحی می‌کنید و سعی می کنید جایی را که قسمت مشکل ساز و ضعیف خودرو می باشد را نشان دهید.

شما هدف خود را آزادی بیشتر در بخش آیرودینامیک قرار می‌دهید، به خصوص در بخش تحقیق و توسعه که یکی از بخش های اصلی ساختاری ماشین است. مثلا حجم و یا شکل قسمتی از خودرو را برای توسعه بهتر و بیشتر ماشین تغییر می‌دهید.

بنابراین، شما تغییرات بزرگ را شروع کرده اید تا بتوانید به پیشرفت در آن قسمت های خاص دست یابید. پس همیشه شما در حال پیدا کردن نقاط ضعف هستید تا به بخش آیرودینامیک آزادی بیشتر برای توسعه و پیشرفت ماشین بدهید. در بعضی از اوقات چنین امری بسیار سخت است مثلا در سال 2017، همه چیز تازه و جدید بود، به همین دلیل شما در تلاش هستید تا همه کارها را همزمان با هم انجام دهید.

وقتی قرار است از یک بوم خالی و سفید کار را شروع کنند، مهندسان فرمول یک شروع به طراحی حجم‌ها و محدوده‌هایی برای قرار گیری بدنه ماشین و بخش های مختلف و اصلی خودرو مثل باک بنزین، کل مجموعه موتور یا سیستم تعلیق می کنند.

چستر بیان می کند: اولین پایه‌های شروع طراحی، قوانین فرمول یک می‌باشند. شما باید اول قوانین را مطالعه نمایید و بعد جعبه های قانونی* برای طراحی را دریابید. این قوانین هستند که به شما می‌گویند که پاهای راننده چگونه در پشت سیستم تصادف دماغه ماشین قرار گیرند، مکان تقریبی قرار گیری باک بنزین کجاست و کجا باید بدنه ماشین قرار گیرد.

به شما یک ساختار می‌دهد. از مکان‌ها و موقعیت‌های قرار گیری اجسام، مکان نشستن راننده و یا اطلاعات تکمیلی برای طراحی در اختیار شما می‌گذارد.

تطبیق با فرآیند‌های موازی

اشتباه بزرگ آنجا است که فکر کنیم، بخش آیرودینامیک طراحی ماشین فرمول یک به صورت کاملا ایزوله از بقیه دپارتمان‌های طراحی تیم فرمول یک، طراحی بدنه را انجام می‌دهد، و تمام همکاران خود را با یک ساختار رها می‌کند تا تمام اجزا ماشین را به هم متصل کنند. خیر، طراحی ماشین فرمول یک در همکاری و تطبیق پذیری خلاصه می‌شود.

در همین رابطه نیک چستر می گوید: تعداد زیادی فرآیند‌های موازی در کنار هم وجود دارد. مهندسان آیرودینامیک ماشین بر روی شکل بدنه کار می‌کنند و سعی دارند تا بهترین بسته آیرودینامیک را انتخاب کنند و بسازند. شاید آنها یک ایده یا مفهومی خاص در ذهن داشته باشند که چگونه ساختار حرکت هوا بر روی بدنه را تغییر دهد، و به این فکر می‌کنند که چگونه می‌توان یک شکل خاص را برای رسیدن به هدف مشخص طراحی کنند. ما در این فرآیند‌های موازی تلاش می‌کنیم با همکاری تیم مهندسان ویری(Viry){کارخانه تولید موتور رنو در فرانسه} بر روی بسته موتور و نحوه قرار گیری اجزای آن در کنار یکدیگر و بر روی شاسی، به نحوه بهتری یک ماشین سبک و در عین حال کاملا مطابق با آیرودینامیک بسازیم. بنابراین، بسیاری ایده‌ها و بحث‌ها بین تیم مهندسان ویری و مهندسان انستن(Enstone){دپارتمان تولید شاسی رنو در انگلستان} شکل می‌گیرد و اتفاق می‌افتد.

به عنوان یک نمونه خاص مثلا باک بنزین، چیزی در حدود 105 کیلوگرم برای هر مسابقه وزن دارد و حجم خاصی را اشغال می‌کند. مهندسان شاسی و موتور باید با هم همفکری کنند و تلاش کنند تا بهترین طراحی ممکن را برای بخش پشتی باک بنزین انجام دهند زیرا نمی‌توان بخش های بسیار داغ و پر حرارات موتور V6 را درکنار آن قرار داد و یا حتی به گونه ای از آن محافظت کرد. این بدان معنی است که بهترین ایده باید نسبت مشخصی از طول و عرض داشته باشد، یک باک بنزین بزرگ از نظر طولی می‌تواند در طراحی کولرها و یا حتی آیرودینامیک ماشین تاثیر بگذارد. مثلا، بیشتر شدن انرژی تولید شده توسط سیستم بازیابی انرژی(ERS)، می‌توان دمای آن را در رادیوتورهای کوچکتر کنترل نمود و به کنترل بهتر درگ ماشین کمک کرد.

معما

در اولین فرصت که مفهوم کلی خودرو دریافت می‌شود، استراتژیست‌های اصلی شروع به انتخاب شکل باک بنزین، اندازه‌های موتور، طول و سایز گیربکس، شکل خاص سیستم تعلیق و غیره می‌کنند. البته این تصمیمات باید با قوانین مجاز فنی فرمول یک بخواند(در واقع نظیر وزن، طول مشخص شده بین چرخ ها و غیره)، همینطور آیرودینامیک باید شامل فاکتورهای مشخصی باشد. به طور خاص کل بسته مکانیکی ماشین یک نقش تعیین کننده در تاثیر ضریب آیرودینامیک ماشین دارد.

از نظر تولید کارخانه ای، تهیه هر یک از بخش‌های خاص ماشین باید قبل از دیگری انجام شود، مثلا موتور باید قبل از بدنه طراحی و در ماشین جایگذاری شود. به طور حتم، تولید بخش‌های داخلی اجزای ماشین زمان می‌برد. حتی زمانی که در طول تست زمستانی شما نیاز به چندین نمونه از سیستم تعلیق ماشین دارید.

مهندس ارشد تیم رنو می گوید: طراحی گیربکس ماشین یکی از فرآیند‌های آغازین طرح مفهومی شما می‌باشد، زیرا شما باید شش ماه جلوتر باشید و همزمان به کارکردن کل بسته موتور فکر کنید و طراحی و انتخاب سیستم تعلیق و طول چرخ ها را هم انجام دهید. ما می‌توانیم سعی کنیم تا تمامی فرآیند‌های موازی را کنار هم و با هم پیش ببریم تا در زمان مشخص بتوانیم تمامی اجزا را با هم برای ساخت ماشین بکار ببریم.

در این مسابقه زمان علیه شما است تا یک ماشین فرمول یک تولید کنید، تهیه یک نقشه راهبردی از ضروریات کار کردن در چنین سیستمی می‌باشد.

بهتر است بدانیم که در قوانین فنی هیچ گونه خطوط و یا اندازه‌های مشخص برای طراحی هر بخش لحاظ نشده است. در غیر این صورت همه ماشین‌ها می‌توانستند یکسان باشند. به جای آنها در کتاب قوانین قسمت‌هایی برای مهندسان برای طراحی قطعات و بخش‌های مختلف ماشین مشخص شده است. به طور خلاصه در ماده 3.7.1 باله جلوی ماشین با یک مکعب مستطیل به وسیله چهار خط مشخص شده است و اینجاست که مهندسان از جعبه‌های قانونی یا مناطق نظارتی صحبت می کنند.

بروز رسانی پایدار

بعد از مطرح شدن ایده های مفهومی کار، چالش اصلی در فاز طراحی، راه اندازی و مدیریت کردن چند فرآیند موازی در کنار هم می‌باشد، که هر کدام از آنها قسمتی خاصی از ماشین را در بر می‌گیرند. برای پیشرفت پروژه، هماهنگ بودن فرآیند های مختلف در هر بخش الزامی است و کل طرح به این هماهنگی وابسته می‌باشد.

به عنوان نمونه، وقتی مهندسان در حال کار بروی سیستم انتقال نیروی ماشین هستند و ما تاثیرات آیرودینامیکی را بررسی می‌کنیم، می‌توان به طور خلاصه گفت: اگر در بخش خاصی از ماشین مثلا دیفیوزر عقب، تغییراتی را در طراحی آن ایجاد کنیم تا بتوانیم نیروی رو به پایین(دانفورس) بیشتری تولید کنیم، آیا می توان در فضای به وجود آمده، سیستم انتقال نیروی ماشین را بدون اینکه به اجزای تاثیرگذار صدمه بزند، قرار دهیم؟

نیک چستر می افزاید: تعیین یک فرآیند طراحی ایده آل و یک برنامه ساخت مدون، یک کار بسیار بزرگ است.

در طول این فرآیند ممکن است شما یا مشکلات احتمالی را در یابید و یا راه حل های جدید را کشف کنید.

ممکن است شما با متوقف کردن تولید یک قطعه، فرصتی جدید و ایده ای جالب برای تغییر آیرودینامیک ماشین داشته باشید و یا ممکن است شما با تغییر در طراحی قسمتی از ماشین، تاخیرات غیر ضروری ایجاد کنید.

شما باید برنامه خود را در هر لحظه ممکن، بروز رسانی کنید. باید طوری زمان را مدیریت کنید تا از زمان ساخت پیش بینی شده ماشین، عقب نمانید و به موقع ماشین را آماده کنید. که این عمل کاری بسیار سخت و دشوار است.

مراحل مختلفی را باید کنترل و نظارت کنید و همه اینها بستگی به این دارد که شما کجای این فرآیند تولید پیچیده هستید. تعداد زیادی مولفه در زمان تولید وجود دارند که شما می‌توانید در آنها تغییر ایجاد کنید و مولفه های دیگری نیز هستند که دیگر برای تغییر در آنها دیر شده است.

به عنوان مثال، فصل قبل در پیست سیلورستون (Silverstone) یک کفی جدید برای ماشین معرفی کردیم که بسیار در تنظیم کردن سیستم تعلیق به ما کمک کرد. ما همچنین می دانیم که می‌توان تعدادی از طراحی های امسال را به عنوان گزینه های احتمالی در ماشین سال آینده اعمال کرد و همچنین باید به این سوال خیلی زود پاسخ داد که آیا می‌توان تغییرات عظیمی در ایده طراحی ماشین به وجود آورد؟ چرا که این کاری است که بسیار شرایط را دشوار و پیچیده می کند.

کار از کجا شروع می‌شود

وقتی ماشین ها در اسفند ماه(February) رونمایی می‌شوند و تست زمستانی فرا می‌رسد، مهندسان تیم همگی آماده طرح های آینده می‌شوند.

به طور معمول فرآیند طراحی ماشین سال آینده از تست پیش فصل سال قبل از آن شروع می‌شود. بنابراین اوایل فصل سال 2017 در مورد ماشین سال 2018 شروع به تصمیم گیری می‌کنیم و برای بعضی از امور حتی مقداری زودتر شروع به بحث پیرامون آنها می‌نماییم. برای اینکه انجام دادن بعضی از کارها مثل ساختن پکیج موتور، خیلی زود تر شروع می‌شود و مراحل اولیه طراحی زودتر شکل می‌گیرد.

در مورد پکیج موتور به عنوان مثال مسائل کوچک و ریزی وجود دارند که تاثیرات عظیمی روی شاسی ماشین می‌گذارند. بنابراین اگر می‌خواهید مهندسان طراح موتور وقت کافی داشته باشند، باید زمان بیشتری برای آنها در نظر بگیریم و این فرآیند باید از آبان ماه سال 2016(October) برای سال 2018 شروع شود. به همین خاطر برای تقسیم منابع باید از خرداد ماهJune) 2017) آماده سازی انجام بگیرد و کارهای مربوط به سال 2017 کنار گذاشته شود و به سراغ سال 2018 برویم. به همین دلیل افراد بیشتری را در خرداد ماه برای پروژه سال آینده کنار هم گردآوری می کنیم.

جدول فرایند تولید قطعات و زمان بندی کلیه تیم های فرمول 1

	2016
اکتبر	اولین ایده ها و طرح های مفهومی شاسی و نحوه ساخت پکیج موتور 2018
نوامبر
دسامبر
	2017
ژانویه
فوریه	اولین فرآیند های تولید و ایده پردازی شاسی سال 2018
مارس
آوریل
می
ژوئیه	تطبیق دادن و تخصیص منابع هر چه بیشتر با توجه به شروع پروژه 2018
جولای
آگوست	شروع ساخت گیربکس
سپتامبر	شروع ساخت شاسی یکپارچه
اکتبر	شروع ساخت سیستم تعلیق و باله های ماشین
نوامبر
دسامبر	ساخت بدنه ماشین
	2018
ژانویه	انجام تست تصادف
فوریه	اتمام ساخت و انجام تست زمستانی فصل 2018

فرآیند تطبیقی

طراحی یک ماشین فرمول 1 یک فرآیند تطبیقی می باشد. یک مهندس باید به قسمت های مختلفی از یک مفهوم نظاره بیاندازد تا بتوانید تمامی ایده ها و راهبرد های جدید را کشف و جست و جو کند. تیم های فرمول یک از CFD-computational fluid dynamics برنامه نویسی دینامیک سیالات استفاده می‌کنند تا بتوانند قبل از ساخت مدل اولیه تاثیرات آیرودینامیکی خودرو را مشاهده کنند و بعد از آن بر روی مدل در تونل باد آن ها را اعمال کنند. این فرآیند چندین و چند بار تکرار می شود تا شکل ها و حجم های مختلف به وجود بیایند.

محدودیت دوگانه

زمانی که طراحی های ماشین فرمول 1 کامل می‌شود باید یک فرآیند تولید شکل بگیرد. مهندسان تیم با این قضیه روبرو می‌شوند که طراحی و تولید هر کدام از بیست هزار قطعه تشکیل دهنده یک ماشین جدید فرمول 1، می تواند دلهره آور و ترسناک باشد. برای به حداقل رساندن آن، فرآیند طراحی قسمت های غیر مکانیکی نظیر بدنه یا پوسته ماشین باید تحت تاثیر دو عنصر کلیدی یعنی حجم (که باید قطعه بتواند اثرات آیرودینامیکی قابل قبول داشته باشد) و استحکام (که بتواند سختی قطعه مربوطه را تضمین کند) باشد.

در نظر نگرفتن هر دو مورد در فرآیند تولید قطعه چه میزان کم و زیاد آن، با توجه به محل قرارگیری آن یعنی قطعه خارجی و یا داخلی، حیاتی است. به طور مثال، بال جلو ماشین می‌تواند براساس آیرودینامیک در نظر گرفته شده، یک هندسه مشخص داشته باشد ولی حتما باید به مقاومت و صلبیت آن نیز توجه کرد. قطعات مکانیکی نظیر دمپرها، میله فرمان و اجزای آن، سیستم انتقال نیرو، ترمزها و غیره باید مستحکم طراحی و تولید شوند. با این نگاه که حداقل وزن ممکن را دارا هستند و کارایی مورد نظر را داشته باشند.

شکل

آیرودینامیک یک ماشین فرمول 1 برای طراحی شدن دو عنصر اصلی دارد: 1- تونل باد 2-دینامیک سیالات محاسباتی(CFD)

دینامیک سیالات محاسباتی می‌تواند یک تونل باد مجازی باشد، که به تیم ها این اجازه را می‌دهد تا ماشین را در ابعاد واقعی شبیه سازی کنند و میزان کیفیت هوای تولید شده قطعات ماشین را بسنجند. تیم ها به این طراحی مجازی اعتماد می‌کنند و ایده ها خود را در آن بررسی می‌نمایند، قبل از آنکه طراحی های انجام گرفته به مدل ساخته شده تبدیل گردد و در تونل باد تحت آزمایش قرار گیرد.

کارکردن در تونل باد نمی‌تواند امکانات شبیه سازی مجازی را داشته باشد. امکاناتی که تحت چند سنسور مشخص شده فقط اطلاعات ماشین را به شما می‌دهد. در حال حاضر، تنها مکمل و کامل کننده شبیه سازی مجازی، تونل باد است. در داخل یک تونل باد، یک تیم فرمول 1 یک مدل که به طور مشخص 60 درصد اندازه اصلی است را تحت شرایط مشخصی قرار می‌دهد اتفاقاتی که برای ماشین رخ می‌دهد را بازسازی کند، به طور مثال  می‌تواند تحت ترمزگیری ( زمانی که ماشین به سمت جلو حرکت می کند) و یا دور زدن پیچ ها باشد. تونل باد می‌تواند شرایط پیست های مسابقه را بازسازی کند و اثرات هر قسمت از پیست را بر روی قطعات مختلف ماشین نشان دهد. زمانی که قرار است میزان آیرودینامیک ماشین را مشخص کنند، می‌توانند میزان مشخصی هوا را در موقعیت های مختلف به ماشین وارد کنند تا در پنجره خاصی از پیست میزان مشخصی از نیروی رو به پایین را بدست بیاورند.

زمانی که حجم خاصی را مشخص کردند و به آن دست می‌یابند، جزئیات قطعات طراحی شده ماشین به مرحله بعد می‌روند تا برای کمک به طراحی قطعات در کامپیوتر تحت نرم افزارهایی شبیه به آتوکد و یا کتیا، قرار گیرند. در این زمان تیم های فرمول 1 شروع به فرآیند های تکراری روبه جلو و روبه عقب می‌کنند تا آیرودینامیک، سختی و جزئیات طراحی را به طور کامل بدست آورند. در واقع در فرایند طراحی قطعات حتما باید جزئیات آیرودینامیکی قطعه را در نظر گرفت ولی در عین حال گوشه چشمی به وزن و سختی قطعه نیز داشت.

صلبیت

یک ماشین گرندپری فرمول 1 تحت تاثیر عوامل مختلفی قرار دارد. به طور مثال، بدنه ماشین تحت نیروی های اعمال شده توسط سیستم تعلیق خودرو قرار می‌گیرد، در حالی که موتور و سیستم انتقال قدرت میزان قابل توجهی نیرو را به سیستم تعلیق عقب خودرو وارد می کند. همین طور، بال جلو و کفی ماشین هر دو باید در یک تعادل آیرودینامیکی تحت نیرو های بشدت زیاد قرار گیرند.

چگونه یک مهندس فرمول 1 می‌داند، میزان سختی و صلبیت قطعات چقدر است؟ دو منبع ارزشمند از اطلاعات هستند که به به کمک یک ایده خوب می‌توانند میزان نیروی وارد شده به شاسی خودرو را اندازه گیری کنند. یکی از آنها اطلاعات دریافت شده از ماشین قبلی است و دیگری میزان نیرو های تست شده توسط تیم فنی فدراسیون بین المللی اتومبیلرانی تحت تست ها تایید و میزان آن جمع آوری شده و در اختیار تیم ها قرار گرفته است.

برای محاسبه میزان سختی یک جسم یا یک قطعه، مهندسان فرمول 1 از آنالیز محدود قطعات استفاده می‌کنند. به طوری که قطعه را به چند قسمت و یا تکه محدود تقسیم می‌کنند، قبل از اینکه تحت اعمال نیروهای مختلف قرار دهند. در این روش، تیم ها می‌توانند سطح های مختلفی از تغییر شکل قطعات را در حالت کلی بررسی کنند. بدین صورت می‌توانند قسمت های مختلف و محرک قطعات کج شده را بزرگ نمایی کنند تا قسمت آسیب دیده را از نظر استقامت تقویت کنند.

مرحله طراحی

نیک چستر می‌گوید:

این مرحله می‌تواند انقلابی از ماشین قبلی تیم باشد.

ما با شبیه سازی مجازی شروع می‌کنیم و بعد به داخل تونل باد می‌رویم تا بتوانیم طراحی های خود را به آزمایش بگذاریم. ولی اگر طراحی ما جواب ندهد به طور مثال باله خودرو را باید از نو تغییر دهیم و به مرحله اول یعنی شبیه سازی مجازی ماشین برگردیم. بعضی اوقات، ما تست های مقاومت را بسیار سریع طی می‌کنیم ولی زود به این نتیجه می‌رسیم که باید طراحی و شکل قطعه را تغییر دهیم.

برای قطعات مکانیکی ما نیروهای آیرودینامیکی مستقیم نداریم، در واقع یک شبیه سازی قابل توجه و مشخص وجود دارد. به عنوان مثال، سیستم تعلیق عقب ماشین که به گیربکس متصل است باید دوباره طراحی شود. طراح با یک فرم در نرم افزار اتوکد مواجه است که باید به دپارتمان مقاوم سازی برود و ببیند که آیا این قطعه باید محکم تر ساخته شود و یا باید کمی سبکتر شود. این روند می‌تواند بین دپارتمان طراحی و دپارتمان مقاوم سازی در حرکت باشد تا شما هم وزن مناسب را داشته باشید و هم مقاومت ایده آل را بدست بیاورید. در همه قسمت ها مراحل تکرار شونده پشت سر هم برای انجام هر عملی وجود دارد.

تست موتور

تست مقاومت کامپیوتری یک عملیات مجازی است. به همین خاطر شما نیازمند بازسازی شرایط یک مسابقه واقعی هستید که باید از طریق تست داینو آن را انجام دهید. تیم های فرمول یک تست های داینو مختلفی را برای اعمال نیرو روی بخش های مختلف ماشین نظیر سیستم تعلیق، گیربکس، موتور و غیره انجام می‌دهند. شکست قطعات به طور معمول در موارد جزئی و کوچک اتفاق می‌افتد که معمولا در طراحی دیده نشده اند و باید نقص های مهلک قبل از قرار گرفتن ماشین بر روی پیست کشف و برطرف شوند.

منبع: فرمول یک ایران