میراث فرمول یک در خودروهای مدرن؛ فناوری‌هایی که هر روز از آن‌ها استفاده می‌کنیم

همه می‌دانند که فرمول یک اوج دنیای موتور اسپرت است. این مسابقات ویترین نهایی مهندسی خودرو به شمار می‌رود؛ جایی که هر بخش از یک خودرو به پیشرفته‌ترین شکل ممکن توسعه پیدا می‌کند. در هر لحظه تنها ۲۰ راننده در جهان این افتخار را دارند که در این رقابت‌ها حضور داشته باشند و فقط ۱۰ تیم از ثروتمندترین و قدرتمندترین خودروسازان و شرکت‌های جهان اجازه حضور در خط استارت را پیدا می‌کنند.

رانندگان فرمول یک نیز چیزی فراتر از انسان‌های معمولی هستند. آن‌ها با واکنش‌هایی در حد چند صدم ثانیه تصمیم‌هایی می‌گیرند که می‌تواند میان پیروزی و شکست تفاوت ایجاد کند. مسیر پیست، جنس آسفالت، تغییرات ارتفاع و حتی شرایط آب‌وهوا را به اندازه خیابان محل زندگی خود می‌شناسند و مانند خلبانان جنگنده تمرین می‌کنند تا بتوانند فشارهای شدید G را که خودروهای فرمول یک به بدنشان وارد می‌کنند، تحمل کنند.

اما بخش مهم دیگری که فرمول یک را تا این اندازه هیجان‌انگیز می‌کند، مهندسی خودروها است. تیم‌های حاضر در این مسابقات به لطف بودجه‌های هنگفت خود می‌توانند فناوری‌هایی را آزمایش کنند که شاید خودروسازان عادی حتی جرأت فکر کردن به آن‌ها را هم نداشته باشند. همین آزادی عمل باعث تولد نوآوری‌هایی می‌شود که ابتدا برای مسابقات توسعه پیدا می‌کنند اما بعدها راه خود را به خودروهای تولید انبوه باز می‌کنند.

بسیاری از فناوری‌هایی که امروزه در خودروهای روزمره کاملاً عادی به نظر می‌رسند یا حتی متوجه وجودشان نمی‌شویم، ریشه در پیست‌های فرمول یک دارند. در ادامه با پنج فناوری مهم فرمول یک آشنا می‌شویم که صنعت خودروسازی را برای همیشه تغییر دادند.

بعد از موتور، مهم‌ترین بخش هر خودروی مجهز به موتور احتراق داخلی، سیستم انتقال قدرت آن است. گیربکس وظیفه دارد قدرت موتور را به شکلی مؤثر به چرخ‌ها منتقل کند. اگرچه گیربکس‌های امروزی بسیار پیچیده شده‌اند، اما در گذشته ساختار بسیار ساده‌ای داشتند.

همانند خودروهای خیابانی، خودروهای فرمول یک نیز سال‌ها از گیربکس دستی استفاده می‌کردند. سادگی، دوام و ارتباط مستقیم راننده با خودرو از مزایای اصلی این نوع گیربکس بود؛ اما در سال ۱۹۸۹ همه چیز تغییر کرد. جان بارنارد که بعدها نقش مهمی در تاریخ فرمول یک ایفا کرد، در آن زمان مهندس تیم فراری بود. او برای خودروی فراری 640 F1 سیستم تعویض دنده کاملاً جدیدی طراحی کرد.

در کابین این خودرو، خبری از پدال کلاچ و دسته‌دنده سنتی نبود. به جای آن، دو پدال کوچک پشت فرمان قرار گرفت که توسط متخصصان ارگونومی دانشگاه دلفت طراحی شده بودند. کارکرد آن‌ها بسیار ساده بود: یکی برای افزایش دنده و دیگری برای کاهش دنده. این فناوری باعث شد راننده بدون برداشتن دست‌ها از روی فرمان بتواند دنده‌ها را بسیار سریع‌تر از قبل تعویض کند. نتیجه نیز بلافاصله مشخص شد؛ فراری همان سال نخستین مسابقه خود با این سیستم را برد.

موفقیت این فناوری باعث شد فراری آن را به خودروهای جاده‌ای خود نیز منتقل کند. نخستین محصول خیابانی مجهز به این سیستم فراری F355 بود که در سال ۱۹۹۷ معرفی شد. پس از آن تقریباً تمام خودروسازان بزرگ جهان این فناوری را به محصولات خود اضافه کردند. ابتدا تنها خودروهای اسپرت از شیفترهای پشت فرمان بهره می‌بردند، اما با فراگیر شدن گیربکس‌های دوکلاچه در دهه ۲۰۱۰، این فناوری به خودروهای اقتصادی و خانوادگی نیز راه پیدا کرد.

امروزه تقریباً غیرممکن است درباره خودروهای اسپرت صحبت کنید و نام فیبر کربن را نشنوید؛ اما چند دهه قبل، این ماده بیشتر شبیه یک فناوری علمی تخیلی بود تا چیزی که قرار باشد در خودروها استفاده شود. بازهم جان بارنارد نقش اصلی را ایفا کرد. پیش از طراحی گیربکس مشهور فراری، او در تیم مک‌لارن فعالیت می‌کرد و یکی از نخستین مهندسانی بود که اعتقاد داشت شاسی خودروهای فرمول یک باید از فیبر کربن ساخته شود.

او در نهایت شرکت آمریکایی Hercules Aerospace را متقاعد کرد تا نخستین شاسی مونوکوک فیبرکربنی جهان را برای خودروی مک لارن MP4/1 تولید کند. در ابتدا بسیاری از کارشناسان تصور می‌کردند فیبر کربن بیش از حد شکننده است و در تصادفات دوام نخواهد آورد؛ اما در مسابقه گرندپری مونزا ۱۹۸۱، زمانی که راننده مک‌لارن جان واتسون تصادف شدیدی را تجربه کرد و شاسی فیبرکربنی جان او را نجات داد، نگاه همه تغییر کرد. فیبر کربن ویژگی‌های فوق‌العاده‌ای داشت:

• وزن بسیار پایین
• دو برابر سخت‌تر از فولاد
• حدود پنج برابر مقاوم‌تر از فولاد

پس از اثبات مزایای این ماده، مک‌لارن آن را در خودروی افسانه‌ای F1 نیز به کار گرفت. در سال‌های نخست، استفاده از فیبر کربن تنها به خودروهای سوپر اسپرت و بسیار گران‌قیمت محدود بود؛ زیرا تولید آن هزینه بالایی داشت. حتی در بسیاری از خودروها تنها برای تزئین برخی قطعات استفاده می‌شد؛ اما با پیشرفت فناوری تولید، هزینه ساخت فیبر کربن کاهش یافت و امروزه تقریباً در تمام خودروهای اسپرت و حتی برخی خودروهای معمولی می‌توان قطعاتی از این ماده سبک و مقاوم را مشاهده کرد.

گاهی یک فناوری آن‌قدر موفق عمل می‌کند که مسئولان مسابقات تصمیم می‌گیرند آن را ممنوع کنند. سیستم تعلیق فعال دقیقاً یکی از همین فناوری‌ها بود. در دوران طلایی تیم ویلیامز، مهندس افسانه‌ای آدریان نیوی خودروی ویلیامز FW14B را طراحی کرد؛ خودرویی که به مجموعه‌ای از فناوری‌های پیشرفته مجهز بود. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های آن استفاده از واحد کنترل مرکزی مجهز به شبکه CAN Bus بود.

به زبان ساده، این فناوری باعث می‌شد تمام بخش‌های الکترونیکی خودرو بتوانند از طریق یک شبکه مرکزی با یکدیگر ارتباط برقرار کنند، نه اینکه هر بخش به‌صورت جداگانه عمل کند. این قابلیت اهمیت بسیار زیادی داشت، زیرا عملکرد آیرودینامیک خودروهای فرمول یک به ارتفاع خودرو از سطح زمین وابسته است. کوچک‌ترین تغییر در وضعیت خودرو هنگام عبور از پیچ‌ها یا ناهمواری‌ها می‌تواند میزان چسبندگی و نیروی رو به پایین را کاهش دهد.

سیستم تعلیق فعال به‌صورت لحظه‌ای ارتفاع خودرو را تنظیم می‌کرد تا بهترین شرایط آیرودینامیکی همیشه حفظ شود. نتیجه حیرت‌انگیز بود. خودروهای ویلیامز گاهی حدود ۳۰ ثانیه زودتر از رقبا از خط پایان عبور می‌کردند؛ اختلافی باورنکردنی در دنیای فرمول یک.

در نهایت فدراسیون جهانی اتومبیلرانی (FIA) استفاده از این فناوری را در مسابقات ممنوع کرد. البته این ممنوعیت تنها برای پیست بود. امروزه بسیاری از خودروهای لوکس و گران‌قیمت از سیستم تعلیق فعال استفاده می‌کنند تا علاوه بر افزایش پایداری، سواری نرم‌تر و راحت‌تری نیز ارائه دهند.

امروزه استفاده از پیشرانه‌های هیبریدی در فرمول یک کاملاً عادی است، اما در سال ۲۰۰۹ این فناوری هنوز در ابتدای راه قرار داشت. فدراسیون جهانی اتومبیلرانی برای افزایش هیجان مسابقات و ایجاد فرصت‌های بیشتر برای سبقت گرفتن، استفاده از سیستم بازیابی انرژی جنبشی یا KERS را مجاز اعلام کرد.

این سیستم همان‌طور که از نامش پیداست، انرژی جنبشی حاصل از ترمزگیری را بازیابی می‌کند. برخی نمونه‌های KERS از یک موتور-ژنراتور (MGU) متصل به میل‌لنگ استفاده می‌کنند. هنگام ترمزگیری، این مجموعه انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و در باتری ذخیره می‌کند.

برخی نمونه‌های دیگر نیز از فلایویل بهره می‌برند که هنگام ترمزگیری با سرعت بسیار بالا می‌چرخد و انرژی را به‌صورت مکانیکی ذخیره می‌کند تا راننده در زمان نیاز بتواند از آن برای افزایش توان خودرو استفاده کند. اگرچه KERS در ابتدا برای افزایش عملکرد خودروهای مسابقه‌ای طراحی شده بود، اما خودروسازان خیلی زود متوجه شدند این فناوری می‌تواند در خودروهای هیبریدی و برقی نیز کاربرد فراوانی داشته باشد.

امروزه تقریباً تمام خودروهای هیبریدی و برقی از مفهومی مشابه استفاده می‌کنند که آن را ترمز احیاکننده (Regenerative Braking) می‌نامیم. تفاوت اصلی این است که انرژی بازیابی شده به جای ذخیره شدن برای افزایش لحظه‌ای قدرت، وارد باتری اصلی خودرو شده و به افزایش شعاع حرکتی آن کمک می‌کند.

برخلاف فناوری‌های قبلی که امروزه حتی در بسیاری از خودروهای اقتصادی نیز دیده می‌شوند، آرایش موتور Hot V هنوز بیشتر در خودروهای اسپرت و سوپر اسپرتی مانند فراری 296 استفاده می‌شود. با این حال، این فناوری یکی از هوشمندانه‌ترین راهکارهایی است که تاکنون برای حل مشکل تأخیر عملکرد توربوشارژر ابداع شده است.

در موتورهای توربوشارژ، گازهای خروجی موتور ابتدا باید توربین را به حرکت درآورند تا کمپرسور هوای فشرده را وارد موتور کند. این فرآیند اندکی زمان می‌برد و همین موضوع باعث ایجاد وقفه‌ای کوتاه در افزایش قدرت موتور می‌شود. خودروی Ferrari 126CK در مسابقات فرمول یک برای نخستین بار راهکاری متفاوت ارائه داد.

در این طراحی، توربوشارژرها به جای قرار گرفتن در دو طرف موتور، در فضای میان دو ردیف سیلندرهای موتور V شکل نصب شدند؛ آرایشی که امروزه با نام Hot V شناخته می‌شود. این طراحی چند مزیت مهم دارد:

• کوتاه‌تر شدن مسیر حرکت گازهای خروجی تا رسیدن به توربو
• کوچک‌تر شدن ابعاد کلی موتور
• قرار گرفتن توربوها در بخش گرم‌تر موتور برای افزایش بازده
• قرار گرفتن منیفولدهای هوا در قسمت خنک‌تر موتور

نتیجه این تغییرات، پاسخ‌دهی سریع‌تر توربوشارژر و تقریباً از بین رفتن تأخیر معروف توربو یا همان توربو لگ است؛ موضوعی که نقش مهمی در بهبود عملکرد بسیاری از خودروهای اسپرت مدرن ایفا کرده است.