Det tekniske hjørne: Frontvinge-design

Vinger og hvorfor det ikke er vinger
De elementer som en frontvinge består af, kaldes vinger. De fungerer som flyvinge - de er bare vendt på hovedet sådan at de skubber bilen fast på asfalten i stedet for at få den til at lette, som jo normalt er det man bruger vinger til.
Kort fortalt så fungerer en vinge ved at skabe et undertryk på undersiden, som så suger bilen fast. Jo større vinge, jo større undertryk (downforce). Derfor har FIA fastlagt rigtigt mange regler som præcis foreskriver hvor stort et areal de forskellige vinge-sektioner må have.

Som en lille sidebemærkning, så har frontvingen nogle lodrette endeplader. Disse er med til at holde på det dannede undertryk. Hvis pladerne ikke var der, ville der komme turbulent luft ind fra siden og udligne det undertryk som skulle danne downforce.

Formel 1 vingeprofil - rød farve er det undertryk som er dannet på undersiden og som suger raceren ned
Copyright SimScale


Hvad er "drag"
"Halli-halløj, en mand i dametøj", sang Anders Matthesen i Jul på Vesterbro. Men ordet drag dækker også over det fænomen hvor der dannes turbulens efter at luften er strømmet hen over et vingeelement. Drag betyder "træk" og det er præcis dette træk bagud man vil undgå. En god frontvinge har maksimal downforce og minimalt træk. I praksis er der altid tale om et kompromis da man bevidst går efter at danne vortex'er (en hvirvelvind med stort drag) for bedre at kunne styre hvor luften går hen.

 
Multi-foil versus single-foil vinger
Set i tværsnit så kan man tydeligt se at en frontvinge består af mange sammensatte elementer i stedet for en stor vinge. Dette kaldes et multi-foil design. Hvis vingen bestod af ét stort element så ville effekten blive reduceret efterhånden som hastigheden stiger, ligesom når et fly staller. Multi-foil designet, tillader en lille smule luft at komme ind mellem de enkelte vinger og dermed fungerer vingen også ved høje hastigheder.

Toro Rosso frontvinge - Mult-foil layout ses tydeligt på dette billede
Copyright BMF1
 

Vortex styring
De lodrette, buede elementer i en frontvinge er til for at danne vortex'er. En vortex er en hvirvelvind som dannes når luften passerer gennem en smal passage. Disse hvirvelvinde er nemmere at styre, fx når luften skal styres udenom dækkene og når der skal sendes vital køleluft ind til bremserne. 

En sidebemærkning hertil er at de fleste teams benytter sig af vortex-generatorer rundt omkring på bilen. Det er en anordning som bevidst danner en vortex for at have en portion luft at dirigere.

Toro Rosso vortex generatorer over luftindtaget til motoren
Copyright BMF1


Reglerne, før og nu
Front-vinge reglementet er blevet ændret meget hvert år, de sidste par år.
Før 2012 var der en tensen til højere næser og dette gav sikkerhedsmæssige bekymringer efterhånden som alle teams havde dette design.
I 2012 kom der først en regel om to forskellige højder på frontvingen, for at forhindre at en spids næse kunne "spydde" en anden racer i en kollision.
I 2013 rettede man lidt op på dette ved at tillade at frontvingen kunne monteres på to stænger foran, i et lidt mere elegant design.
I næste runde ændrede man på bredden af frontvingen (2014: max bredde ændret fra 1800mm til 1650mm), og der blev sat begrænsninger på højden af den yderste del af vingen igen. Denne gang måtte spidsen af næsen max være 18,5 cm over bilens bund. Dette var hele 36,5 cm lavere end 2013 reglementet og mange teams valgte en løsning som mest af alt lignede en støvsuger.
Senest i 2015 blev det forbudt at lave en spids næse blot for at overholde max-højde kravet. Nu skal hele næsen stikke ud til der hvor højden måles,

Ferraris 2012 næse. Billede fra Young Driver Test på Magny-Cours 11. september 2012
Copyright Ferrari


Racerens aerodynamik
Frontvingen er kun en del af de knap 2,5 tons downforce der bliver genereret af en moderne F1 racer. De præcise tal er hemmelige men frontvingen siges at generere ca 25% af den samlede downforce.

Frontvingens funktion er først og fremmest at give downforce til forhjulene sådan at raceren kan stå bedre fast i svingene. Dette sker via vinger.
Dernæst er frontvingens funktion at omdirigere luften uden om dækkene da der ellers vil blive for meget turbulens omkring hjulene.
Endeligt så starter frontvingen på at dirigere al den luft som rammer raceren og i sidste ende er det frontvingen som sørger for at der også kommer nok luft til bagvingen sådan at den fungerer optimalt.

Næsen af frontvingen har også en vis aerodynamisk funktion da den leder luften op over bilen og rundt om køreren. Undersiden af næsen leverer luft til motoren og sørger for at undersiden af bilen får nok luft for at sikre den downforce som genereres af hele bilen (dette kaldes ground effect). De høje næsen var oprindeligt et design som skulle sikre at undersiden af bilen fik nok luft.


Sikkerhed
Næsen har også en sikkerhedsmæssig funktion da den skal beskytte kørernes ben i et frontalt sammestød. 
Inden en F1 racer kan godkendes til et køb, skal næsen bl.a. bestå en crash-test ved 54 km/t hvor næsen rammer en betonmur direkte (teknisk reglement 16.2: Frontal test 1). Efter crash-testen må der ikke være nogle skader på siddebrønden, for at bestå. Hastigheden virker måske lav, men den er valgt for at kunne lave mere præcise målinger af de G påvirkninger som køreren udsættes for. Næsen fungere også som en deformations-zone ligesom på en almindelig gadebil og der er krav om at køreren max må udsættes for 60G ved denne hastighed.

Hvert team har deres helt egen tilgang til udseendet af næsen da reglerne ikke er særligt præcise på udseendet af næsen. Her siger reglerne at næsen skal ligge indenfor nogle bestemte mål, hvoraf nogle af dem ses på nedestående figur. Desuden skal det laveste punkt på næsen være 18,5 cm over bilens bund (2016-reglement og desuden må bilens bund max være 7,5 cm over jorden). Dette er løst på mange måder og der er også taget nogle kosmetiske hensyn hos nogle teams.

FIA Teknisk reglement figur 17a
Copyright FIA Images


Hvordan designes en frontvinge?
I moderne F1 design er der ingen vej uden om Computational Fluid Dynamics (CFD). Alle dele på en F1 racer designes på en computer og der foretages omfattende computerberegninger for at måle downforce og drag.
I dette stykke software kan ændre på hele designet. Desuden kan man lave en optimeret beregning på en bestemt parameter, fx tværsnittet på næsen. Så kan softwaren fortælle hvilken højde og bredde som giver mindst drag og/eller mest downforce.

Screenshot fra SimScale - Frontvinge simulering
Copyright BMF1

Når designet så er simuleret færdigt, så skal det prøves i virkeligheden og dette gøres først i en vindtunnel og dernæst på banen! På banen finder man for alvor ud af om den nye frontvinge fungerer med resten af raceren.

Daniil Kvyat med målere på raceren
Copyright Red Bull Media

Hvis man selv vil prøve kræfter med CFD, så tilbyder det tyske firma SimScale en gratis prøvekonto til deres online software.
Tag gerne fat i artiklens forfatter hvis du har spørgsmål til front-vinge design.

Nicolais SimScale diplom - bevis for gennemførsel af Formula One Aerodynamics Workshop
Copyright BMF1