F1, LMH en koolstofvezelversterkte polymeer chassis'.

Bij Formule 1-races (F1) en Le Mans Hypercar-races (LMH) is het chassis een cruciaal onderdeel van het algehele ontwerp van het voertuig en zorgt het voor de noodzakelijke structuur, veiligheid en prestatiekenmerken. Het chassis moet licht en stijf zijn en extreme krachten kunnen weerstaan, waardoor de materiaalkeuze cruciaal is. Polymeren, met name geavanceerde composietmaterialen, spelen een essentiële rol in de constructie van moderne F1- en LMH-autochassis, waardoor teams een balans kunnen vinden tussen sterkte, veiligheid en gewicht.

Het belangrijkste materiaal dat wordt gebruikt voor de constructie van deze racewagenchassis zijn koolstofvezelversterkte polymeren (CFRP), die bestaan uit koolstofvezels die zijn ingebed in een polymeermatrix. CFRP biedt een uitzonderlijke verhouding tussen sterkte en gewicht, waardoor het het materiaal bij uitstek is voor high-performance motorsporttoepassingen. Daarnaast worden andere polymeren gebruikt voor veiligheidscomponenten, impactzones en trillingsdemping.

Hoe polymeren worden gebruikt in de chassisconstructie

1. Koolstofvezelversterkte polymeren (CFRP) voor structurele sterkte

Het belangrijkste materiaal dat wordt gebruikt in het chassis van zowel F1- als LMH-wagens is CFRP. Dit materiaal combineert koolstofvezels met een polymeerhars, meestal epoxy, om een composiet te maken die zowel licht als extreem sterk is. De combinatie van koolstofvezels (die voor sterkte zorgen) en de polymeermatrix (die de vezels bindt en belastingen verdeelt) geeft CFRP een ongeëvenaarde verhouding tussen sterkte en gewicht, waardoor het ideaal is voor gebruik in het chassis.

• Monocoque-structuur: Zowel F1- als LMH-wagens maken gebruik van een monocoque chassis, waarbij de hele cockpit is gemaakt van een enkele, stijve CFRP-shell. Dit ontwerp biedt superieure structurele stijfheid en crashbescherming terwijl het gewicht tot een minimum beperkt blijft. In de F1 is het monocoque chassis de centrale veiligheidscel die de coureur beschermt bij een crash, en het moet ongelooflijk sterk zijn en toch zo licht mogelijk blijven.

• Sterkte en stijfheid: De koolstofvezels in de CFRP zijn in specifieke richtingen uitgelijnd om de sterkte in kritieke delen van het chassis te maximaliseren. De polymeerhars helpt de belasting over de structuur te verdelen, waardoor breuken of vervorming worden voorkomen. Deze combinatie zorgt ervoor dat het chassis bestand is tegen de hoge spanningen van de racerij, inclusief de downforce die wordt gegenereerd door aerodynamische componenten en de krachten die worden gegenereerd tijdens het nemen van bochten op hoge snelheid.

• Gewichtsreductie: CFRP is aanzienlijk lichter dan metalen als aluminium of staal, waardoor het ideaal is om het totale gewicht van de auto te verminderen. In enduranceraces en F1 verbetert een lichtgewicht chassis de acceleratie, het weggedrag en de brandstofefficiëntie, die allemaal cruciaal zijn om competitief te blijven tijdens lange races.

2. Veiligheid en schokabsorptie

Polymeren spelen een cruciale rol bij het waarborgen van de veiligheid van coureurs in het geval van een crash. F1- en LMH-wagens zijn onderworpen aan strenge veiligheidsvoorschriften en het chassis moet ontworpen zijn om botsenergie effectief te absorberen en af te voeren. Naast de structurele sterkte van CFRP worden in crashzones ook andere materialen op basis van polymeren gebruikt om de veiligheid te verbeteren.

• Energieabsorberende structuren: In zowel F1- als LMH-wagens zijn crashstructuren van composietpolymeren geïntegreerd in de voor- en achterkant van het chassis om energie te absorberen tijdens een botsing. Deze structuren zijn ontworpen om op een gecontroleerde manier te kreukelen, waardoor de kracht van de botsing wordt afgevoerd voordat deze de bestuurder bereikt. Koolstofvezelcomposieten en Kevlar versterkte polymeren worden vaak gebruikt in deze gebieden vanwege hun hoge energieabsorberende eigenschappen.

• Impactzones: De neuskegel en zijpanelen van de auto, die ontworpen zijn om de impact bij een botsing te absorberen, zijn ook gemaakt van composietpolymeren. Deze zones moeten zowel licht zijn als bestand tegen grote krachten. Kevlar wordt soms aan deze delen toegevoegd om de weerstand tegen scherpe botsingen te verbeteren en te voorkomen dat het chassis barst of versplintert tijdens een botsing.

3. Brandbestendigheid en veiligheidsvoorzieningen

De veiligheid van de coureur is van het grootste belang in de motorsport en brandbestendigheid is een belangrijk aspect bij de constructie van het chassis en de cockpit. Brandwerende polymeren zoals Nomex en Kevlar zijn opgenomen in het ontwerp om extra bescherming te bieden in het geval van brand.

• Brandwerende cockpitbekleding: De cockpit is vaak bekleed met Nomex, een polymeer dat zeer brandwerend is. In geval van brand helpt Nomex de bestuurder te beschermen door een barrière te vormen tussen de vlammen en het lichaam van de bestuurder, waardoor de bestuurder kostbare seconden heeft om te ontsnappen.

• Kevlar versterkte gebieden: Kevlar, een andere aramidevezel zoals Nomex, wordt gebruikt in delen van het chassis die zowel sterk als vuurbestendig moeten zijn. Kevlar is bestand tegen hoge temperaturen zonder af te breken, waardoor het een uitstekende keuze is voor delen van het chassis in de buurt van de motor of uitlaat, waar de warmteontwikkeling extreem kan zijn.

4. Trillingsdemping

Raceauto's, vooral diegene die zijn ontworpen voor endurance-evenementen zoals Le Mans, zijn tijdens lange races onderhevig aan constante trillingen en mechanische spanningen. Deze trillingen kunnen leiden tot vermoeidheid bij de coureur en na verloop van tijd schade veroorzaken aan gevoelige onderdelen. Elastomere polymeren worden gebruikt in specifieke delen van het chassis om trillingen te verminderen en het comfort en de duurzaamheid te verbeteren.

• Bussen en steunen van polymeer: Rubber en op siliconen gebaseerde elastomeren worden gebruikt in gebieden zoals ophangingsophangingen, motorophangingen en versnellingsbakverbindingen om de overdracht van trillingen door het chassis te verminderen. Deze polymeren bieden flexibiliteit en absorberen schokken, waardoor wordt voorkomen dat het stijve koolstofvezel chassis trillingen rechtstreeks doorgeeft aan de bestuurder of andere kritieke onderdelen.

• Vermindering van geluid en trillingen: Dempingsmaterialen gemaakt van elastomere polymeren worden ook toegepast om geluid en trillingen in de cockpit te verminderen. Dit verbetert niet alleen het comfort van de coureur tijdens lange stints in enduranceraces, maar beschermt ook elektronische systemen tegen beschadiging door constante trillingen.

5. Aanpassing en aerodynamica

Polymeren maken het ook mogelijk om het chassis aan te passen en aerodynamische vormen te geven. Dankzij de flexibiliteit van polymeercomposieten kunnen ingenieurs het chassis zo vormen dat de luchtstroom rond de auto wordt geoptimaliseerd, wat cruciaal is voor het maximaliseren van de downforce en het verminderen van de luchtweerstand.

• Aerodynamische vormgeving: Dankzij de flexibiliteit in het gieten van koolstofvezelcomposieten kunnen er ingewikkelde vormen en kenmerken in het chassis worden aangebracht, zoals side pods, luchtinlaten en diffusors die de aerodynamica van de auto verbeteren. Dit is essentieel om ervoor te zorgen dat zowel F1- als LMH-auto's hoge snelheden kunnen halen met behoud van optimale stabiliteit en prestaties in bochten.

• Gladheid van het oppervlak: Polymeren zorgen voor een glad oppervlak dat de luchtweerstand vermindert en de auto helpt efficiënter door de lucht te snijden. De polymeermatrix in de CFRP kan fijn worden gepolijst om de luchtstroom zo min mogelijk te verstoren.

Conclusie

Polymeren, met name koolstofvezelversterkte polymeren (CFRP), zijn fundamenteel voor de constructie van het chassis van F1- en LMH-auto's. Ze bieden een ongeëvenaarde combinatie van lichtgewicht eigenschappen, sterkte, stijfheid en veiligheid. Dankzij deze materialen is het chassis bestand tegen de extreme krachten die vrijkomen tijdens het racen op hoge snelheid, terwijl het tegelijkertijd essentiële bescherming biedt tegen schokken en brand. Daarnaast dragen polymeren zoals elastomeren en aramidevezels zoals Kevlar en Nomex bij aan de veiligheid, het comfort en de duurzaamheid, zodat het chassis onder de meest veeleisende omstandigheden betrouwbaar presteert. Door gebruik te maken van geavanceerde polymeercomposieten kunnen fabrikanten de grenzen van prestaties en veiligheid in de moderne motorsport verleggen.